Khảo sát và so sánh đặc tính VERTICAL l SHAPED FOLDED MONOPOLE và l lSHAPED FOLDED MONOPOLE

Để đáp ứng các yêu cầu của hệ thống thông tin di động hiện đại đối với anten em xin đề xuất một phương án sử dụng anten VLFMA. Một loại monopole nhỏ gọn nhưng lại đáp ứng được yêu cầu băng tần rộng. Sử dụng phương pháp mô phỏng trên HFSS và so sánh với các kết quả các bài báo, em đã thu được những kết quả khả quan. Đồ án đã nêu bật lên được giá trị của VLFMA khi đem khảo sát và so sánh đặc tính của nó với một loại anten khác là LFMA. Chương 1 Lý thuyết về Anten Chương 2 Dipole và Monopole Chương 3 Thiết kế, mô phỏng và khảo sát đặc tính LFMA và VLFMA. Cụ thể nội dung trong từng chương như sau:

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi : Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Điện tử - Viễn thông

Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

Em tên là: Phạm Nguyễn Hoàng Quân

Hiện đang học lớp 09DT2 – Khoa Điện tử - Viễn Thông,trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷluật của Khoa

Đà Nẵng, ngày tháng nămSinh viên thực hiện

Phạm Nguyễn Hoàng Quân

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

LỜI MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ANTEN 7

1.1 Giới thiệu chương 7

1.2 Lý thuyết về anten 7

1.2.1 Giới thiệu về anten 7

1.3 Hệ phương trình Maxwell và bức xạ điện từ 10

1.3.1 Hệ phương trình Maxwell 10

1.3.2 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ 11

1.4 Các thống số cơ bản của anten 12

1.4.1 Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten 12

1.4.2 Giản đồ bức xạ 13

1.4.3 Mật độ công suất bức xạ 17

1.4.4 Cường độ bức xạ 18

1.4.5 Hệ số định hướng 19

1.4.6 Băng thông 20

1.4.7 Hệ số tăng ích 20

1.4.8 Phân cực sóng 21

1.4.9 Trở kháng vào 22

1.5 Kết luận chương 23

CHƯƠNG 2 ANTEN DIPOLE VÀ MONOPOLE 24

2.1 Giới thiệu chương 24

2.2 Anten Dipole 24

2.2.1 Phần tử dòng điện 24

2.2.1.1 Trường bức xạ của dipole vô cùng bé 25

2.2.1.2 Mật độ công suất và khoảng cách bức xạ dipole vô cùng bé 29

2.2.1.3 Hệ số định hướng 31

2.2.2 Dipole dài hữu hạn 32

2.2.2.1 Phân bố dòng của dipole dài hữu hạn 33

2.2.2.2 Trường bức xạ của dipole dài hữu hạn 33

2.2.2.3 Mật độ công suất, cường độ bức xạ, điện trở bức xạ của dipole dài hữu hạn .34

2.2.2.4 Hệ số định hướng của dipole dài hữu hạn 36

2.2.3 Dipole nửa bước sóng 37

2.3 Lý thuyết ảnh gương 39

2.4 Monopole 44

2.5 Kết luận chương 46

CHƯƠNG 3THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNHLFMA VÀ VLFMA 47

3.1 Giới thiệu chương 47

3.2.1 Giới thiệu Ansoft HFSS 47

3.2.2 Tóm tắt quá trình mô phỏng bằng phần mềm HSFF 48

3.3 Thiết kế, mô phỏng và khảo sát đặc tính LFMA và VLFMA 49

3.3.1 Thiết kế, mô phỏng LFMA và VLFMA 49

3.3.1.1 Thiết kế, mô phỏng LFMA 49

3.3.1.2 Thiết kế, mô phỏng VLFMA 54

3.3.2 Khảo sát và so sánh đặc tính LFMA và VLFMA 57

3.4 Kết luận chương 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

CÁC TỪ VIẾT TẮT A

LỜI MỞ ĐẦU

Trong truyền thông nói chung thì có hai vấn đề cần phải quan tâm đó là: tốc

độ dữ liệu và độ tin cậy truyền tin Với truyền thông không dây thì hai vấn đề này

là quan trọng hơn cả và mọi thiết kế đều phải dựa trên hai thông số này làm sao chotốc độ dữ liệu ngày càng tăng và độ tin cậy ngày càng cao Trong truyền thôngkhông dây thì có hai hiện tượng gây trở ngại cho hệ thống của chúng ta đó là:Fading và giao thoa giữa các ký hiệu Do đó, để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu thìcần phải có băng thông lớn nhưng điều này bị hạn chế vì dải tần số là một tàinguyên khan hiếm Đồng thời, muốn chất lượng tín hiệu được cải thiện và giảmảnh hưởng của phading thì máy phát phải đạt được công suất đủ lớn hoặc tăng kíchthước anten để duy trì hiệu suất bức xạ; tuy nhiên, đối với những thiết bị di độngcầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay có kích thước nhỏ gọn thì khôngthể áp dụng phương pháp này được Hiện nay, hệ thống anten sử dụng nhiều phần

tử bức xạ ở cả phía phát và phía thu hay còn gọi là kĩ thuật đa đầu vào đa đầu ra(MIMO) đã được ứng dụng trong kĩ thuật anten Nó đem lại nhiều ưu thế về chấtlượng truyền tín hiệu cũng như tốc độ truyền tải dữ liệu Kỹ thuật MIMO ra đờinhằm mục đích khắc phục những nhược điểm trên trong hệ thống thông tin vôtuyến

Băng thông rộng không còn là một điều mới mẻ trong thông tin di động nữa, mà nótrở thành một đặc điểm thiết yếu trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ như:truyền hình chất lượng cao, truyền hình di động, Internet băng thông rộng, gametrực tuyến, giải trí đa phương tiện hay giao tiếp giữa các thiết bị trong khoảng cáchngắn Một giải pháp được đưa ra là cải thiện các loại anten Em xin đề xuất mộtphương án sử dụng anten VLFMA Một loại monopole nhỏ gọn nhưng lại đáp ứngđược yêu cầu băng tần rộng Đồ án đã nêu bật lên được giá trị của VLFMA khi đemkhảo sát và so sánh đặc tính của nó với một loại anten khác là LFMA Đồ án gồm

có ba chương, trong đó 2 chương đầu trình bày tổng quan lý thuyết tạo tiền đề đểthiết kế, mô phỏng và so sánh các loại anten ở chương sau

Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ từ cácthầy cô trong Khoa Điện tử Viễn Thông, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt tình

của TS Trần Thị Hương, Bộ môn Viễn Thông, Khoa Điện Tử Viễn Thông,

trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, giảng viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướngdẫn đồ án tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy và các thầy cô trong KhoaĐiện tử Viễn Thông

Đà Nẵng, ngày 30 tháng 5 năm 2014

Phạm Nguyễn Hoàng Quân

Thiết bịđiều chếMáy phát

Hệ thống

cung cấp

tín hiệu

Hệ thốngbức xạ

Anten phát

Thiết bị

Hệ thống cảm thụ bức xạ

Hệ thống gia công tín hiệuAnten thu

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ANTEN

1.1 Giới thiệu chương

Anten là thiết bị quan trọng trong các thiết bị vô tuyến, dùng để thu và bức

xạ năng lượng dưới dạng trường điện từ trong không gian Việc tìm hiểu lý thuyếtanten tạo cơ sở để thiết kế và phân tích hoạt động của anten

Ở chương này, em xin trình bày cấu trúc chung của anten, nguyên lý bức xạ

và các thông số cơ bản của anten

1.2 Lý thuyết về anten

1.2.1 Giới thiệu về anten

Anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng Hay nói cách khác anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng từ (anten thu) từ không gian bên ngoài Giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là fide

Hình 1.1 Hệ thống anten thu và phát

Trong hệ thống này,máy phát sẽ tạo ra dao động điện cao tần.Dao động điện này sẽđược truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc.Anten phát

biến đổi sóng điện từ ràng buộc này thành sóng điện từ tự do truyền ra ngoài khônggian Trong các máy thu,anten có nhiệm vụ tiếp nhận sóng điện từ tự do trongkhông gian bên ngoài Anten thu chỉ tiếp nhận được một phần năng lượng điện từ

do an ten phát truyền đi,phần năng lượng còn lại sẽ bức xạ vào không gian Antenthu biến sóng điện từ tự do thành sóng điện từràng buộc rồi truyền qua các fide đếnmáy thu Hầu hết trong các thiết bị di động chỉ có một anten đảm nhận hai chứcnăng nhận và thu Yêu cầu đặt ra cho thiết bị anten và fide là phải thực hiện việcbiến đổi và truyền dẫn năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không gây ra méodạng tín hiệu

Hình 1.2thể hiện phương trình tương đương Thevenin của hệ thống antentrong hình 1.1 làm việc ở chế độphát.Nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao độnglýtưởng Vg, anten được thể hiện bởi tải ZA, với [ZA= (RL + Rr)+j.XA], đường truyềndẫn được thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc trưng Trở kháng tải RL thểhiệnsự mất mát do điện môi và vật dẫn gắn với cấu trúc anten Trở kháng Rr được gọi

là trở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten Điện kháng XA thểhiện phần ảo của trở kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten.Trong điều kiện lýtưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn từ máy phát sẽ được truyền hoàn toàn tới trởkháng bức xạ Rr.Tuy nhiên trong hệ thống thực tế, luôn luôn có các tổn hao do điệnmôi và tổn hao do vật dẫn, mất mát do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoànhảo) ở điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten

Hình 1.2 Mô hình tương đương Thevenin cho hệ thống anten.

Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vàoanten Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoanhau tạo thành sóng đứng (standing wave) trên đường truyền dẫn, khi đó trên đườngtruyền xuất hiện các nút và bụng sóng đứng Nếu thiết kế hệ thống anten khôngchính xác, đường truyền giống như một thành phần lưu giữ năng lượng hơn là mộtthiết bị dẫn sóng vàtruyền năng lượng Đường truyền dẫncó thể bị phá hủy nếucường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn Tổng mất mát đường truyền phụthuộc vào đường truyền, cấu trúc anten và sóng đứng.Tổn hao do đường truyền cóthể được tối thiểu hóa bằng cách chọn các đường truyền tổn hao thấp, tổn hao doanten có thể được giảm đi bằng cách giảm trở kháng tải RL Sóng đứng có thể đượcgiảm đi và khả năng lưu trữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu bằng cáchphối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường truyền Tức làphối hợp trở kháng giữa anten với đường truyền

Mô hìnhtương đương Thevenin của hệ thống anten ở chế độ thutương tự nhưanten phát, nguồn được thay bằng bộ thu Tất cả các phần khác của môhình tươngđương là tương tự Trở kháng phát xạ Rr được sử dụng để thể hiện trong chế độ thunhận năng lượng điện từ từ không gian tự do truyền tới anten

Ngoài việc bức xạ hay thu nhận năng lượng, anten còn có nhiệm vụ địnhhướng năng lượng bức xạ mạnh theo một vài hướng và triệt tiêu năng lượng ở cáchướng khác Do đó, anten cũng cần phải có vai trò như một thiết bị bức xạ hướngtính Thực tế, anten có nhiều hình dạng khác nhau tùy mục đích cụ thể

1.3Hệ phương trình Maxwell và bức xạ điện từ

Toàn bộ lý thuyết về anten được xây dựng trên cơ sở của sóng điện từ Điệntrường và từ trường tồn tại đồng thời trong không gian thống nhất tạo thành trường điện

từ Trong phần này ta trình bày về hệ phương trình Maxwell- những phương trình cơbản của điện từ học và sự bức xạ song điện từ

1.3.1Hệ phương trình Maxwell

Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hoàtheo thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn qui luật sin, cos dưới dạng phức eiωt

E=Re( ¯Eeiωt)=¯Ecos(ωt ) (1.1b) hoặc ⃗E=Im( ¯Eeiωt)=¯Esin(ωt ) (1.1b)

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

rot { H=i ωεp¯E+¯Je¿

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)

¯J e

là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện (

A

m2)

ρe là mật độ khối của điện tích(m C3)

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích Nhưng trongmột số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người tađưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích Khái niệmdòng 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 viếtnhư sau:

nó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền

1.3.2Quá 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 xạchỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định

Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rấtnhỏ so với bước sóng Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trongkhông gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không giancủa cuộn cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên Nhưng điện từ trường này không

bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch Năng lượng điện trường

bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằmtrong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều vàtạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bênngoài Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng Khi đạt tới khoảngcách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là cácđường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúngphải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy Theo quiluật 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 điệntừ

Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự dođược gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công) Phần năng lượng điện từràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công

1.4Các thống số cơ bản của anten

Phần này trình bày một số khái niệm cơ bản của anten như: sự bức xạ sóng,trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, độ định hướng,phân cực sóng, trở khángvào,tần số cộng hưởng, băng thông 

1.4.1Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten

Khi năng lượng được truyền từ nguồn tới anten tạo 2 trường: một là trườngcảm ứng (trường gần), trường này ràng buộc với anten, trường thứ hai là trường bức

xạ (trường xa) Tại khu vực gần anten (trong trường gần), cường độ các trường lớn

và tỉ lệ tuyến tính với lượng năng lượng truyền đến anten Tại khu xa, chỉ có trườngbức xạ là được duy trì do trường gần suy hao Trường khu xa gồm 2 thành phần làđiện trường và từ trường vuông góc với nhau như hình 1.3

Hình 1.3 Các trường bức xạ tại khu xa.

Điện trường và từ trường bức xạ từ anten hình thành nên trường điện từ.Sóng

vô tuyến là một trường điện từ di chuyển Sóng trên đường truyền đi, năng lượngsóng mang theo trải ra trên một diện tích ngày càng lớn hơn trong không gian Dođómật độ năng lượng giảm đi khi ở xa anten

1.4.2 Giản đồ bức xạ

Anten bức xạ ra các tín hiệu vô tuyến tạo thành một trường điện từ Mỗi anten

có một giản đồ xác định Đặc tính định hướng của antenđược thể hiện bởi giản đồ bức

xạ này

Giản đồ bức xạ của anten là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của cácđặc tính bức xạ của anten Trong các giản đồ bức xạ,hầu hết được xét ở trường xacủaanten Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong không gian 2 chiều hay

3 chiều, sự phân bố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt

có bán kính không đổi Hệ tọa độ cầu thường được sử dụng để thể hiện trường bứcxạcủa anten như hình dưới

Hình 1.4Hệ tọa độ phân tích của anten

Giản đồ đẳng hướng và hướng tính

Trong thực tế không có anten đẳng hướng Anten đẳng hướng chỉ là một antengiả định, bức xạ đều ra tất cả các hướng trong không gian Anten đẳng hướng là lýtưởng và rất khó để chế tạo, nhưng nó thường được sử dụng như một tham chiếu đểthể hiện đặc tính định hướng của anten thực Anten hướng tính là anten có đặc tínhbức xạ hay thu sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lại

Hình 1 5 Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten

Mặt phẳng E là mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại,mặt phẳng H là mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại Trongthực tếngười ta thường chọn hướng của anten thế nào đó để ít nhất một trong cácmặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ ( mặtphẳng x, mặt phẳng y hoặc mặt phẳng z)

Hình 1.6 Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H

Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính

Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng được phân thànhbúpchính, búp phụ, búp bên và búp sau như hình 1.7

Hình 1.7 Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính

Búp chính là búp chứa hướng bức xạ cực đại Trong hình 2.7, búp chínhđang chỉ theo hướng 0 Có thể cónhiều hơn một búp chính Búp phụ là bất kỳbúp nào, ngoại trừ búpchính Búp bên thường là búp liền sát với búp chính và theohướng của búp chính Búp sau là búp bức xạ mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 180 độ

so với búp chính Thường thì búp phụ định xứ ở bán cầu theo hướng ngược với búpchính Búp phụ bức xạ theo các hướng không mong muốn Búp bên thường là búplớn nhất trong các búp phụ Cấp của búp phụ được thể hiện bởi tỷ số của mật độcông suất theo hướng của búp đó với mật độ công suất của búp chính

Hình1.8 Đồ thị của giản đồ công suất các búp

1.4.3 Mật độ công suất bức xạ

Sóng điện từ dùng để truyền thông tin qua môi trường vô tuyến hay cấu trúc dẫn sóng, từ điểm này tới điểm khác Vector Poynting tức thời dùng để mô tả năng lượng kết hợp với sóng điện từ:

W =E H (1.5)

Trong đó: W: vector Poynting tức thời ( )

E : Cường độ điện trường tức thời (V/m)

H : Cường độ từ trường tức thời (A/m)

Tổng công suất đi qua một mặt kín được tính bằng tích phân thành phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên toàn mặt kín đó

Trong đó: P:tổng công suất tức thời (W)

: vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt

da : vi phân diện tích của bề mặt ( )

Khi trường biến đổi theo thời gian, ta thường tính mật độ năng lượng trung bình bằng cách tính tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho chu kỳ.Mật độ năng lượng trung bình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ Khi trường biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng , ta định

W av(x, y , z)=[W(x, y ,z ,t)]av=12ℜ[ E× H¿](W /m2 ) (1.10)

Thành phần ½ xuất hiện trong

1.5 và 1.6 bởi vì các trường E và H tính theo

biên độ Dựa trên định nghĩa 1.6, công suất trung bình bức xạ bởi anten (công suất bức xạ) có thể được định nghĩa là:

xa, và được tính bằng cách nhân mật độ công suất bức xạ với bình phương khoảng cách :

(1.12) Trong đó: U cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)

Trong đó, là một vi phân góc đặc

1.4.5 Hệ số định hướng

Hệ số định hướnglà tỉ lệ giữa cường độ bức xạ của anten theo một hướng cho trước so với cường bức xạ trung bình trên tất cả các hướng Cường độ bức xạ trung bình bằng tổng công suất bức xạ bởi anten chia cho 4 Nếu hướng không được xác định thì hướng của cường độ bức xạ cực đại được chọn

Đơn giản hơn,hệ số định hướng của anten được xác định bằng tỉ số giữa cường

độ bức xạ của anten theo hướng cho trước Uvà cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng :

(1.14)

(1.15)Hướng bức xạ cực đại được biểu diễn như sau :

(1.16)Trong đó : D là hệ số định hướng (không có thứ nguyên)

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

Prad là tổng công suất bức xạ (W)

là hướng tính cực đại

Umax là cường độ bức xạ cực đại

U0 là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng

1.4.6 Băng thông

Băng thông (BW) là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãnmột tiêu chuẩn nhất định.Băng thông có thể được xem xét là khoảng tần số,về haibên của tần số trung tâm,ở đó các đặc tính của anten ( chẳng hạn như trở kháng vào,giản đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm, hiệusuất bức xạ) đạt giá trị có thể chấp nhận được

Với các anten dải hẹp,băng thông được thể hiện bằng tỉ lệ phần trăm của sự saikhác giữa hai tần số (tần số trên và tần số dưới ) so với tần số trung tâm

(1.17)

Với anten dải rộng, băng thông thường được biểu diễn là tỉ số của tần số trên và tần

số dưới khi anten hoạt động với các đặc tính có thể chấp nhận được

(1.18)Bởi vì các đặc tính của anten như trở kháng vào,giản đồ,hệ số tăng ích,phâncực…của anten không biến đổi giống nhau theo tần số nên có nhiều định nghĩabăng thông khác nhau.Tùy các ứng dụng cụ thể,yêu cầu về các đặc tính của antenđược chọn như thế nào cho phù hợp

1.4.7Hệ số tăng ích.

Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng ích(G).Hệ số tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị để tính toán hiệusuất của anten cũng như đặc tính hướng tính của nó.Trong khi đó hệ số định hướngchỉ xác định được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số tăng ích của anten được xác định bằng cách so sánh mật độ bức xạ củaanten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùnghướng và khoảng cách như nhau, với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằngnhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1

(1.19)

Do đó hệ số tăng ích bao gồm ảnh hưởng của sự tiêu tán công suất trong một anten và tác dụng của tổn hao công suất trong việc gây ra phân cực chéo (đối với trường hợp máy thu nhạy cảm với sự phân cực).Trong thực tế,tham số này đã đưa ratham số hiệu suất của anten , , cho biết hiệu suất của quá trình biến đổi công suất đầu vào thành công suất bức xạ như thế nào

(1.20)

1.4.8 Phân cực sóng.

Phân cực của anten theo một hướng cho trước chính là phân cực của sóng được truyền đi bởi anten.Khi không có hướng nào được đề cập tới thì phân cực của anten là phân cực theo hướng có hệ số tăng ích cực đại

Sự phân cực của sóng được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vector trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng Một phân cực của anten có thể được phân loại như tuyến tính,tròn hay elip

Trường của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm của trục z có thểđược biểu diễn như sau :

E(z;t)= ^a x E x(z;t)+^a y E y(z;t) (1.21)

Ta lại có mối quan hệ giữa các thành phần tức thời và thành phần phức :

Ex(z ;t)=ℜ[E x e jωt+ kz]=ℜ[E x0 e j(ωt+kz+θx)] ¿E x 0 cos (ωt +kz+θx ) (1.22)

Ey(z ;t)=ℜ[E y e jωt+ kz]=ℜ[E y 0 e j(ωt +kz+θy)] ¿E y0 cos (ωt +kz+θy) (1.23)

Với tương ứng là biên độ cực đại của các thành phần theo trục x và trục y

Phân cực tròn có thể đạt được khi hai thành phần có biên độ bằng nhau và có độ

lệch pha theo thời gian giữa chúng phải bằng số lẻ lần .Tức là :

Hầu hết các anten vi dải cần phải phối hợp trở kháng chuẩn của nguồn và tải,

do đó việc tính toán trở kháng vào của anten là rất quan trọng Trở kháng vào được định nghĩa: là trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nó hay tỉ số điện áp so với dòng điện tại đầu vào hay tỉ số của các thành phần tương ứng của điện trường so với

từ trường ở một điểm Tỉ số điện áp trên dòng điện ở đầu vào, không có tải, xác định trở kháng của anten như sau:

ZA = RA+ j.XA (1.27)

Trong đó:ZA là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ω)

RA là điện trở của anten ở các đầu vào (Ω)

XA là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ω)

Thành phần điện trở RA bao gồm 2 thành phần :

R A =R r −R l (1.28)

: trở kháng bức xạ của anten (Ω)

: trở kháng suy hao của anten (Ω)

Anten chỉ phối hợp tốt với đường tiếp điện chỉ ở một dải tần số nào đó Trở kháng vào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình dạng, phương pháp tiếp điện cho anten và ảnh hưởng của môi trường

1.5 Kết luận chương

Trong chương này, em đã giới thiệu lý thuyết cơ bản về anten Nêu ra các số

cơ bản của anten Thấy được nguyên lý bức xạ của anten và nêu ra một số côngthức cơ bản của anten Qua chương này, chung em đã có những kiến thức cơ bản để

đi sâu vào tìm hiểu về anten đơn cực gấp dạng chữ L ở chương sau

CHƯƠNG 2 ANTEN DIPOLE VÀ MONOPOLE

2.1 Giới thiệu chương

Anten đơn cực gập dạng chữ L- L shaped Folded Monopole Antenna(LFMA) và anten đơn cực gập dạng chữ L đứng- Vertical L shaped FoldedMonopole Antenna (VLFMA) là hai loại anten đơn cực được sử dụng trong cácthiết bị di động Chúng mang các đặc tính cơ bản của anten đơn cực (monopole)

Mà các monopole antenna là một nửa của anten lưỡng cực (dipole antenna), đượcđặt trên mặt của một tấm nền làm mặt phẳng đất (ground plane)

Trong chương này, em sẽ trình bày về anten dipole, anten monopole và mốiliên hệ giửa chúng thông qua lý thuyết ảnh gương

2.2 Anten Dipole

Anten dipole là loại anten kinh điển, đơn giản và phổ biến trong kỹ thuật Nóđược linh hoạt áp dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau Để hiểu thêm về antendipole, ta nên tìm hiểu về sự bức xạ của phần tử dòng điện, sự bức xạ của của antendipole có chiều dài hữu hạn và dipole nửa bước song- một loại anten dipole phổbiến

2.2.1 Phần tử dòng điện

Phần tử dòng điện hay dipole vô cùng bé (l ≪λ) là một thành phần dòng điệnđược xem như là thành phần bức xạ nguyên tố của các anten Một dipole vô cùng bé

có thể xem như là một đoạn thẳng dẫn điện rất mảnh được đặt đối xứng ở gốc tọa

độ và định hướng theo trục z, thể hiện trên hình 2.1

Các an ten thực tế là tập hợp của các nguồn bức xạ nguyên tố Khảo sát cácnguồn bức xạ nguyên tố, rồi khái quát hóa (tích phân theo kích thước) có được đặctính của các loại anten chấn tử, anten bức xạ mặt…

Hình 2.1 Dipole vô cùng bé

Mặc dù cấu trúc trên không thực tế, nhưng nó được sử dụng để tượng trưng cho linh kiện tụ điện của anten Ngoài ra, nó còn được sử dụng để xây dựng những khối hình học phức tạp hơn của anten Các tấm nền ở cuối mỗi cực trong hình cung cấp tải điện dung để duy trì dòng điện lưỡng cực thống nhất Bắt đầu từ đây, các tấm lưỡng cực được giả sử rằng rất bé, sự bức xạ của chúng là không đáng kể Sợi dây trong anten lưỡng cực vô cùng bé rất nhỏ (l ≪λ) và rất mảnh (a≪ λ) Sự sai khác không gian của dòng điện được giả sử rằng không đổi, và được cho bởi biểu thức sau

Trong khi hằng số

2.2.1.1 Trường bức xạ của dipole vô cùng bé

Để tìm trường bức xạ bởi thành phần dòng,có 2 cách để thực hiện việc này được cho bởi hình sau

Hình 2.2 Sơ đồ khối tính trường bức xạ cho bởi nguồn điện và từ.

Chúng ta cần tìm A, và F sau đó tìm được H, và E Các công thực liên hệ giữa A

và nguồn J được cho bởi

Các công thức liên hệ giữa F và M cho bởi các biểu thức sau

Khi đó (x, y, z) là tọa độ minh họa cho vị trí quan sát, (x’, y’, z’) minh họa cho vị trí tọa độ của nguồn, R là khoảng cách từ điểm nguồn đến điểm quan sát, và C là tích phân dọc theo chiều dài của nguồn Giải thích cho vấn đề được cho bởi hình 2.3

Hình 2.3 Định hướng trường bức xạ

(lưỡng cực vô cùng bé)

(r là hằng số)

Từ đó công thức tính A có thể được viết lại như sau:

Việc chuyển đổi phương trình hình cầu sang mặt phẳng được cho bởi ma trận dưới

Với vấn đề này, ta có Ax=Ay=0, từ ma trận trên và công thức tính A, phân ra ta có

Trong tọa độ cầu, biểu thức tính từ trường có thể được đơn giản hóa bởi công thức (liên hệ với hệ phương tình Maxwell)

Sử dụng các công thức từ ma trận ở trên, phương trình tính H được biến đổi nhưu

sau

Ta cũng tính được điện trường E

Điện trường E theo các thành phần

Thành phần E và H có mặt ở mọi nơi, ngoài trừ tại chính nguồn của nó Và nó được

biểu diễn trên một mặt cẩu bán kính r hình 2.3

2.2.1.2 Mật độ công suất và khoảng cách bức xạ dipole vô cùng bé

Trở kháng vào của anten bao gồm phần thực và phần ảo Đối với anten có suy hao

ít, phần thực của trở kháng vào được thiết kế như là điện trở bức xạ Nó thông qua

cơ chế của trở kháng bức xạ cho rằng năng lượng được chuyển từ dạng sóng liên kếtsang dạng sóng không gian tự do Để tìm trở kháng đầu vào của anten suy hao thấp,

ta thiết lập vector Poynting trong điều kiện trường bức xạ E và H của anten Bằng

việc kết hợp vector Poynting trên một bề mặt kín (thường là một mặt cầu với bán kính r không đổi), chúng ta sẽ tìm được tổng công suất của các nguồn Phần thực của nó có liên quan đến trở kháng đầu vào anten

Vector Poynting được mô tả

Các thành phần theo bán kính r và theo phương ngang được cho bởi

Việc dịch chuyển công suất phức tạp theo hướng xuyên tâm được cho bởi vector Poynting và phương trình theo các thành phần trên trên một mặt cầu bán kính r Có thể viết lại

Tối giản phương trình trên

Thành phần không đón góp vào việc hình thành tổng công suất bức xạ của anten.Nó đơn thuần là thay đổi giữa bên ngoài và hướng vào bên trong tạo ra sóng đứng giữa hai lần chu kì Phương trình công suất bức xạ có thể được viết lại như sau

Trong đó:

P = công suất

Prad = công suất bức xạ trung bình

= mật độ năng lượng từ trường trung bình (theo hướng xuyên tâm)

= mật độ năng lượng điện trường trung bình (theo hướng xuyên tâm)

= phần ảo công suất (theo hướng xuyên tâm)

Từ phương trình tối giản

Cường độ bức xạ được cho bởi

Giá trị cực đại xảy ra tại vị trí và giá trị của Umax được tính

Hình 2.4 Ba thành phần bức xạ của anten lưỡng cực vô cùng bé

Từ cường độ bức xạ ta tính được hệ số định hướng của anten

Và diện tích hiệu dụng của anten

2.2.2 Dipole dài hữu hạn

Các kỹ thuật trước đây có thể dùng để phân tích lưỡng cực tuyến tính chiều dài bất

kì Để giảm bớt sự phức tạp trong tính toán, chúng ta có thể giả sử rằng trong

chương này lưỡng cực có đường kính không đáng kể Phương pháp giả sử rằng đường kính bé hơn rất nhiều so với bức sóng hoạt động