Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial

LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành Bộ môn Vật lí Chất rắn Điện tử, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, hướng dẫn TS Trần Mạnh Cường Đầu tiên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Trần Mạnh Cường dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp hoàn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn thầy cô giáo Bộ môn Vật lí Vô tuyến Điện tử,Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên bảo giảng dạy suốt năm học qua Luận văn hoàn thành với hỗ trợ kinh phí từ đề tài NAFOSTED mã số HĐ-103.99-2011-02 Cuối cùng, xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp người thân tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập nghiên cứu Hà Nội, tháng năm 2013 Tác giả Nguyễn Thị Thúy DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT HIS : High Impedance Surface LHMs : Left handed metamaterials MMs : Metamaterials TE : Transverse electric TM : Transverse magnetic DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống thu phát tín hiệu 10 Hình 1.2: Đồ thị phương hướng toạ độ cực toạ độ góc 16 Hình 1.3: Phân cực tuyến tính phân cực tròn 17 Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải 20 Hình 1.5: Anten mạch dải dạng 21 Hình 1.6: Anten mạch dải lưỡng cực 21 Hình 1.7: Anten khe mạch dải 22 Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy 22 Hình 1.9: Tiếp điện đường mạch dải 23 Hình 1.10: Tiếp điện cáp đồng trục 23 Hình 1.11: Tiếp điện cách ghép khe 24 Hình 1.12: Tiếp điện cách ghép đôi lân cận 24 Hình 1.13: Trường xạ E H anten mạch dải 25 Hình 1.14: Sóng cấu trúc mạch dải phẳn 25 Hình 1.15: Mô hình xạ anten mạch dải 27 Hình 1.16: Sơ đồ tương đương anten nửa bước sóng 28 Hình 1.17: Sơ đồ tương đương anten phần tư bước sóng 29 Hình 1.18: Tiếp điện đường mạch dải 31 Hình 1.19: Tiếp điện hai đường mạch dải vào hai cạnh anten 32 Hình 2.1: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động tần số GHz; (b) Phổ phản xạ truyền qua vật liệu 35 Hình 2.2: (a) Vật liệu có chiết suất âm làm việc gần vùng ánh sáng nhìn thấy; (b) Phổ phản xạ truyền qua vật liệu 35 Hình 2.3: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ ε μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0) góc phần tư thứ 37 Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động siêu thấu kính dựa metamaterials 38 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động áo choàng tàng hình 39 Hình 2.6: Mô hình bề mặt trở kháng cao 40 Hình 2.7: Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao 41 Hình 2.8: Mặt cắt ngang bề mặt trở kháng cao lớp đơn giản 41 Hình 2.9: Nguồn gốc điện dung điện cảm cấu trúc HIS 41 Hình 2.10: Mô hình mạch sử dụng cho bề mặt trở kháng cao 42 Hình 2.11: Một cặp kim loại cách khoảng cách 42 Hình 2.12: Tụ điện bề mặt trở kháng cao 43 Hình 2.13: Một điện môi chia thành lớp nhỏ 44 Hình 2.14: Những kim loại tụ điện đặt điện mô 44 Hình 2.15: Một dòng điện cuộn dây kim loại tính toán cho điện cảm 46 Hình 2.16: Trở kháng mạch cộng hưởng tương đương 47 Hình 2.17: Tính toán pha phản xạ sử dụng mô hình mạch cộng hưởng 48 Hình 2.18: Một diện tích hình chữ nhật sử dụng cho bề mặt trở kháng 49 Hình 2.19: Sóng mặt truyền bề mặt trở kháng 49 Hình 2.20: Anten dạng mặt phẳng đất có bề mặt trở kháng cao 52 Hình 2.21: Giá trị S11 cho anten miếng mặt phẳng đất khác 52 Hình 2.22: Đồ thị xạ - E anten miếng 53 Hình 3.1: a) Mô hệ số phản xạ anten; b) Đồ thị xạ mặt phẳng cực; c) Đồ thị xạ không gian 3D 55 Hình 3.2: Qui trình chế tạo anten 56 Hình 3.3: Mẫu anten metamaterial (trái )và anten mạch dải thông thường (phải) chế tạo 57 Hình 3.4: Hệ thiết bị đo Vector Network Analyzer 50 Hình 4.1: Mô hình anten mạch dải 58 Hình 4.2: Kết mô anten mạch dải 59 Hình 4.3a: Mô hình HIS 60 Hình 4.3b: Mô hình thiết kế cell bề mặt trở kháng cao 61 Hình 4.4: Kết mô dải cấm điện từ HIS 61 Hình 4.5: Mô hình anten metamaterial khảo sát 62 Hình 4.6: Kết mô anten metamaterial 63 Hình 4.7: Kết mô anten metamaterial thay đổi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến kim loại 65 Hình 4.8a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) xạ vào khoảng cách từ cấu trúc HIS đến kim loại anten metamaterial 65 Hình 4.8b: Sự thay đổi dải tần làm việc khoảng cách từ cấu trúc HIS đến kim loại anten metamaterial 66 Hình 4.9: Kết mô hệ số phản xạ đồ thị xạ theo góc phân cực anten metamaterial thay đổi bề rộng cấu trúc HIS 67 Hình 4.10a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) xạ anten metamatrial vào bề rộng cấu trúc HIS 68 Hình 4.11b: Sự thay đổi dải tần làm việc anten metamatrial vào bề rộng cấu trúc HIS 68 Hình 4.12: Mô hình anten metamaterial có cấu trúc HIS ba hàng 69 Hình 4.13: Kết mô hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác 70 Hình 4.14: Kết đo phổ phản xạ anten thường 64 Hình 4.15: Kết đo phổ phản xạ anten metamaterial 64 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 10 1.1.KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 10 1.1.1.Khái niệm anten 10 1.1.2 Quá trình vật lý xạ sóng điện từ 10 1.1.3 Hệ phương trình Maxwell 11 1.1.4 Các thông số anten 13 1.2 ANTEN MẠCH DẢI 19 1.2.1.Cấu tạo, phân loại nguyên lí hoạt động anten mạch dải 20 1.2.2 Phương pháp phân tích anten mạch dải 26 1.2.3 Các tính chất anten mạch dải 28 1.2.4 Ưu nhược điểm anten mạch dải 32 CHƯƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL 34 2.1.LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS 34 2.1.1.Giới thiệu chung metamaterials 34 2.1.2 Các loại vật liệu metamaterials 35 2.1.3 Ứng dụng metamaterials 38 2.2 ANTEN METAMATERIAL 40 2.2.1.Bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface) 40 2.2.2 Anten metamaterial 51 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 54 3.1.PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 54 3.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 55 3.2.1.Qui trình chế tạo anten 55 3.2.2 Kết 56 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 58 4.1.THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẠCH DẢI 58 4.1.1.Thiết kế anten mạch dải thông thường 58 4.1.2 Kết mô anten mạch dải 59 4.1.3 Thảo luận 59 4.2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỀ MẶT TRỞ KHÁNG CAO HIS 60 4.2.1.Thiết kế bề mặt trở kháng cao HIS 60 4.2.2 Mô bề mặt trở kháng cao HIS 61 4.2.3 Thảo luận 62 4.3 MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL 62 4.3.1.Thiết kế anten metamaterial 62 4.3.2 Kết mô anten metamaterial 63 4.3.3 Thảo luận 63 4.4 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL 64 4.4.1.Khảo sát ảnh hưởng vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) xạ độ rộng dải tần làm việc anten metamaterial 64 4.4.2 Khảo sát ảnh hưởng số lượng cấu trúc HIS lên tính chất điện từ anten metamaterial 67 4.4.3 So sánh gain xạ anten metamaterial có kích thước ô sở cấu trúc HIS khác 69 4.5 KẾT QUẢ ĐO 64 4.5.1 Kết 64 4.5.2 Thảo luận 65 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 MỞ ĐẦU Truyền thông không dây phát triển nhanh chóng năm gần đây, theo thiết bị di động trở nên ngày nhỏ gọn Để thỏa mãn nhu cầu thu nhỏ thiết bị di động anten gắn thiết bị đầu cuối phải thu nhỏ kích thước Các anten phẳng, chẳng hạn anten vi mạch dải (microstrip antenna), có ưu điểm hấp dẫn kích thước nhỏ dễ gắn lên thiết bị đầu cuối….; chúng lựa chọn thỏa mãn yêu cầu cần thiết Cũng lí này, kĩ thuật thiết kế anten phẳng băng thông rộng, hiệu suất cao thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu anten Gần đây, đặc biệt sau năm 2000, nhiều anten phẳng thiết kế thỏa mãn yêu cầu băng thông hệ thống truyền thông di động nay, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System, 1850 – 1990 MHz) UTMS (Universal Mobile Telecommucation System, 1920 – 2170 MHz), phát triển xuất nhiều tài liệu liên quan Anten phẳng thích hợp ứng dụng thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) dải tần 2.4GHz (2400 – 2484 MHz) 5.2 GHz (5150 – 5350MHz) Anten mạch dải vốn có băng thông hẹp hiệu suất thấp nên việc nghiên cứu để mở rộng băng thông tăng hiệu suất anten thường nhu cầu cần thiết ứng dụng thực tế Có nhiều cách để mở rộng băng thông tăng hiệu suất Anten mạch dải dùng anten mảng hay dùng thay đổi vật liệu… Trong việc sử dụng loại vật liệu Metamaterials để cải thiện tính chất điện từ anten phương pháp hiệu nhiều nhóm nghiên cứu giới quan tâm năm gần Metamaterials vật liệu nhân tạo có cấu trúc đồng hiệu dụng với tính chất vật lí vật liệu thông thường Metamaterials hiểu vật liệu có chiết suất âm với tính chất vật lí khác biệt so với vật liệu thông thường như: Đảo ngược điều kiện khúc xạ [4], đảo ngược hiệu ứng Dopler [4], đảo ngược định luật Snell [4], Đảo ngược hiệu ứng Goos-Hanchen [4],…Và tính chất đặc biệt quan trọng Metamaterials ngăn cản lan truyền sóng điện từ [36, 37], lợi dụng tính chất ta dùng Metamaterials để ngăn chặn lan truyền sóng bề mặt anten làm cải thiện số tính chất anten Với cấu trúc Metamaterials thiết kế khác thay đổi tính chất điện từ loại Anten Với lí chọn đề tài “Ảnh hưởng tham số cấu trúc lên tính chất điện từ anten metamaterial” nhằm tìm cấu trúc Metamaterials tối ưu để cải thiện tính chất điện từ anten Mục đích nghiên cứu luận văn: + Tìm kiếm cấu trúc Metamaterials đơn giản mà cụ thể đề tài cấu trúc Metamaterial dạng bề mặt trở kháng cao (HIS - High Impedance Surface) để ứng dụng thiết kế anten + Nghiên cứu ảnh hưởng tham số cấu trúc lên tính chất điện từ anten metamaterial Phương pháp nghiên cứu luận văn kết hợp mô chế tạo phép đo thực nghiệm Bố cục luận văn bao gồm 03 phần: Phần 1: MỞ ĐẦU Phần 2: NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan anten Chương 2: Anten metamaterial Chương 3: Phương pháp mô thực nghiệm Chương 4: Kết thảo luận Phần 3: KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1 KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 1.1.1 Khái niệm anten Anten thiết bị dùng để xạ sóng điện từ thu nhận sóng từ không gian bên Với phát triển kỹ thuật lĩnh vực thông tin, đa điều khiển…cũng đòi hỏi anten không đơn làm nhiệm vụ xạ hay thu sóng điện từ mà tham gia vào trình gia công tín hiệu Trong trường hợp tổng quát, anten cần hiểu tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, chủ yếu hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối lượng cho phần tử xạ với yêu cầu khác (trường hợp anten phát), hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu) Hệ thống cảm thụ xạ Hệ thống Hệ thống cung cấp tín hiệu xạ Anten thu Anten phát Máy phát Hệ thống gia công tín hiệu Thiết bị xử lý Thiết bị Máy thu điều chế Hình 1.1: Hệ thống thu phát tín hiệu[1] 1.1.2 Quá trình vật lý xạ sóng điện từ Về nguyên lý, hệ thống điện từ có khả tạo điện trường từ trường biến thiên có xạ sóng điện từ, nhiên thực tế xạ xảy điều kiện định 10 Để ví dụ ta xét mạch dao động thông số tập trung, có kích thước nhỏ so với bước sóng, đặt vào mạch sức điện động biến đổi không gian tụ phát sinh điện trường biến thiên điện từ trường không xạ mà bị ràng buộc với phần tử mạch Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn khoảng không gian hai má tụ điện nên lượng trường bị giới hạn khoảng không gian Còn lượng từ trường tập trung chủ yếu thể tích nhỏ lòng cuộn cảm Năng lượng hệ thống bảo toàn tổn hao nhiệt dây dẫn điện môi mạch Nếu mở rộng kích thước tụ điện dòng dịch lan toả nhiều tạo điện trường biến thiên với biên độ lớn khoảng không gian bên Điện trường biến thiên truyền với vận tốc ánh sáng Khi đạt tới khoảng cách xa so với nguồn chúng thoát khỏi ràng buộc với nguồn, nghĩa đường sức điện không ràng buộc với điện tích má tụ mà chúng phải tự khép kín không gian hình thành điện trường xoáy Theo qui luật điện trường biến thiên điện trường xoáy tạo từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo điện trường xoáy hình thành trình sóng điện từ Phần lượng điện từ thoát khỏi nguồn truyền không gian tự gọi lượng xạ (năng lượng hữu công) Phần lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi lượng vô công.[1] 1.1.3 Hệ phương trình Maxwell Toàn lý thuyết anten xây dựng sở phương trình điện động lực học phương trình Maxwell Trong phần trình bày ta coi trình điện từ trình biến đổi điều hòa theo thời gian,nghĩa theo quy luật sin, cos dạng phức  (1.1a) E  Re( E e it )  E cos(t ) 11 e it  E  Im( E e it )  E sin(t ) (1.1b) Các phương trình Maxwell dạng vi phân viết dạng:  rotH  i p E  J e (1.2) (1.3) rotE  iH (1.4) divE    e (1.5) divH  E biên độ phức vecto cường độ điện trường: (V/m) H biên độ phức vecto cường độ từ trường: (A/m) Hệ số điện thẩm phức môi trường tính theo công thức:    p   1  i (1.6)      ε hệ số điện thẩm tuyệt đối môi trường: (F/m) μ hệ số từ thẩm môi trường: (H/m) σ điện dẫn xuất môi trường: (Si/m) J e biên độ phức vecto mật độ dòng điện: (  e mật độ khối điện tích: ( A ) m2 C ) m3 Biết nguồn tạo trường điện từ dòng điện điện tích Nhưng số trường hợp, để dễ dàng giải số toán điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell đại lượng dòng từ từ tích Khái niệm dòng từ từ tích tượng trưng chúng tự nhiên Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát viết sau: rot H  i p E  J e (1.7) 12 rotE  i H  J m divE  (1.8) m  divH   (1.9) e  (1.10) Giải hệ phương trình Maxwell ta nghiệm E H Trong phương trình nghiệm cho biết nguồn gốc sinh E,H cách thức lan truyền 1.1.4 Các thông số anten Trong thực tế kỹ thuật anten có thông số điện sau [3]: - Trở kháng vào - Hiệu suất - Hệ số định hướng độ tăng ích - Đồ thị phương hướng - Công suất xạ đẳng hướng tương đương - Tính phân cực - Dải tần anten a Trở kháng vào anten Trở kháng vào anten ZA bao gồm phần thực phần kháng tỷ số điện áp UA đặt vào anten dòng điện IA anten: ZA  UA  R A  jX A IA (1.11) Trở kháng vào anten phụ thuộc vào kích thước hình học anten số trường hợp phụ thuộc vào vật đặt gần anten Thành phần thực trở kháng vào RA xác định công suất đặt vào anten PA dòng điện hiệu dụng đầu vào anten IAe: 13 RA  (1.12) PA I Ae Thành phần kháng trở kháng vào anten xác định đặc tính phân bố dòng điện điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) số trường hợp cụ thể tính toán theo biểu thức đường dây truyền sóng Hầu hết anten hoạt động dải tần định để truyền lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng đầu máy phát đầu vào anten b Hiệu suất anten Anten xem thiết bị chuyển đổi lượng, thông số quan trọng đặc trưng hiệu suất Hiệu suất anten  A tỷ số công suất xạ Pbx công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay P A: A  (1.13) Pbx PA Hiệu suất anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất anten Đối với anten có tổn hao P bx < Pvào  A < 1.Gọi công suất tổn hao Pth (1.14) PA  Pbx  Pth Đại lượng công suất xạ công suất tổn hao xác định giá trị điện trở xạ Rbx Rth ta có: 2 PA  I Ae R A  I Ae Rbx  Rth  (1.15) Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành: A  Pbx Rbx  Pbx  Pth Rbx  Rth (1.16) c Hệ số hướng tính hệ số tăng ích Như biết anten có nhiều loại để so sánh anten với người ta đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) hệ số tăng ích (hệ 14 số khuếch đại độ lợi) Các hệ số cho phép đánh giá phương hướng hiệu xạ anten điểm xa sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Anten lý tưởng anten có hiệu suất  A = 1, lượng xạ đồng theo hướng Anten lý tưởng xem nguồn xạ vô hướng chấn tử đối xứng nửa bước sóng Hệ số định hướng anten D(,) số lần phải tăng công suất xạ chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để cho giữ nguyên giá trị cường độ trường điểm thu ứng với hướng (,) đó: D( , 1 )  Pbx (1 , 1 ) E ( , 1 )  Pbx (0) E (0) (1.17) Trong đó: D( 1 , 1 ) hệ số định hướng anten có hướng ứng với phương ( 1 , 1 ); Pbx( 1 , 1 ) Pbx(0) công suất xạ anten có hướng tính ứng với hướng ( 1 , 1 ) công suất xạ anten vô hướng điểm xét E( 1 , 1 ), E(0) cường độ trường tương ứng chúng Điều có nghĩa phải tăng lên D(1 , 1 ) lần công suất xạ Pbx(0) anten vô hướng để có trường xạ điểm thu xem xét giá trị E(1 , 1 ) Hệ số tăng ích anten G(,) số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten chuyển từ anten có hướng sang anten vô hướng để cho giữ nguyên cường độ trường điểm thu theo hướng xác định (,): (1.18) G ( ,  )   A D( ,  ) Hệ số tăng ích khái niệm đầy đủ hơn, đặc trưng cho anten đặc tính xạ hiệu suất anten Từ (1.18) thấy hệ số tăng ích nhỏ hệ số định hướng Nếu ta biết tăng ích anten dải tần xác định ta tính Pbx theo công thức sau: (1.19) Pbx  PA G A 15 d Đồ thị phương hướng góc xạ anten Mọi anten có tính phương hướng nghĩa hướng anten phát thu tốt hướng anten phát thu xấu không xạ, không thu sóng điện từ Vì vấn đề phải xác định tính hướng tính anten Hướng tính anten thông số hệ số định hướng phân tích đặc trưng đồ thị phương hướng anten Đồ thị phương hướng đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương đối cường độ điện trường công suất xạ điểm có khoảng cách biểu thị hệ toạ độ góc toạ độ cực tương ứng với phương điểm xem xét Hình 1.2: Đồ thị phương hướng toạ độ cực toạ độ góc[1] 16 Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại gọi đồ thị phương hướng chuẩn hoá Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng anten khác Trong không gian, đồ thị phương hướng anten có dang hình khối, thực tế cần xem xét chúng mặt phẳng ngang (góc ) mặt phẳng đứng (góc ) Trường xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, không theo biến đổi góc theo phương hướng khác Để đánh giá dạng đồ thị phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng đồ thị phương hướng hay gọi góc xạ Góc xạ xác định góc nằm hai bán kính vector có giá trị 0.5 công suất cực đại, mà góc xạ gọi góc mở nửa công suất e Tính phân cực anten   Trong trường hợp tổng quát, đường truyền lan sóng, vector E , H có biên độ pha biến đổi Theo quy ước, phân cực sóng đánh giá xem xét theo biến đổi vector điện trường Cụ thể là, hình chiếu điểm đầu mút (điểm cực đại) vector điện trường chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền lan sóng xác định dạng phân cực sóng Nếu hình chiếu có dạng elip phân cực elip; hình chiếu hình tròn phân cực tròn dạng đường thẳng phân cực thẳng Trong trường hợp tổng quát dạng elip dạng tổng quát phân cực thẳng tròn trường hợp riêng Hình 1.3: Phân cực tuyến tính phân cực tròn[1] 17 Tùy vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực Ví dụ để truyền lan thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng tổn hao thành phần thẳng đứng điện trường mặt đất bé nhiều so với thành phần nằm ngang Hoặc để phát thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng anten phân cực ngang tổn hao thành phần ngang điện trường bé nhiều so với thành phần đứng f Dải tần anten Dải tần anten khoảng tần số mà thông số tính toán anten nhận giá trị giới hạn cho phép Giới hạn quy định mức nửa công suất Nghĩa tần số lệch với tần số chuẩn fo anten việc lệch chuẩn làm giảm công suất xạ không 50% Các tần số dải tần anten thường gọi tần số công tác Thường dải tần phân làm nhóm - Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn): f f  10% tức max  1.1 f0 f - Anten dải tần tương đối rộng 10%  f f  50% tức 1.1  max  1.5 f0 f - Anten dải tần rộng 1.5  f max 4 f - Anten dải tần rộng f max 4 f Trong đó: Δf = fmax – fmin g Các hệ thống anten  Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF, anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol thông tin vệ tinh, anten mạch dải thiết bị di động 18  Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa  Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt vệ tinh, anten chảo thu sóng vệ tinh, mảng loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz)  Anten phục vụ nghiên cứu khoa học Quy ước dải tần số: Dải tần số Tên, ký hiệu Ứng dụng 3-3 KHz Very low Freq (VLF) Đạo hàng, định vị 30-300 KHz Low Freq (LF) Pha vô tuyến cho mục đích đạo hàng Phát AM, hàng hải, 300-3000 KHz Medium Freq (MF) trạm thông tin duyên hải, tìm kiếm Điện thoại, điện báo, phát 3-30 MHz High Freq (HF) sóng ngắn, hàng hải, hàng không TV, phát FM, điều 30-300 MHz Very High Freq (VHF) khiển giao thông, cảnh sát, taxi, đạo hàng 300-3000 MHz Ultra High Freq (UHF) Tivi, thông tin vệ tinh, thám, radar Hàng không, vi ba, thông 3-30 GHz Super High Freq (SHF) tin di động, vệ tinh 30-300 GHz Extremly High Freq (EHF) Radar, nghiên cứu khoa học 1.2 ANTEN MẠCH DẢI Lí thuyết anten mạch dải đời từ năm 1950 xong người thực nghiên cứu từ năm 1970 Đến ứng dụng rộng rãi thiết bị di động như: Thiết bị di động cầm tay (điện thoại, máy tính,…), máy bay, tên lửa, vệ tinh,… Với ưu điểm kích thước nhỏ gọn (có thể đạt 19 kích thước cỡ bước sóng ánh sáng micromet), độ bền cao giá thành rẻ,… Ngoài chúng dễ dàng để thay đổi đặc trưng tần số cộng hưởng, tính phân cực, đặc tuyến, trở kháng,… Nhược điểm anten mạch dải là: hiệu suất thấp, lượng xạ thấp, dải thông hẹp tính phân cực cao Dải tần làm việc anten mạch dải cỡ GHz Ở tần số thấp kích thước tính định hướng anten lớn 1.2.1 Cấu tạo, phân loại nguyên lí hoạt động anten mạch dải a Cấu tạo Anten mạch dải thực chất kết cấu xạ kiểu khe Mỗi phần tử anten gồm phần là: Các phiến kim loại mỏng có hình dạng khác gắn đế điện môi Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải[2] Phiến kim loại có kích thước khoảng λ0/3 đến λ0/2, độ dày h (cỡ khoảng 0.003λ0 – 0.05λ0), mặt đối diện thường tiếp đất, số điện môi đế εr thường khoảng 2.2 đến 12 Thông thường với đế điện môi dày số điện môi nhỏ làm cho tổn hao lượng dải thông rộng ngược lại làm cho kích thước anten lớn khó để tích hợp anten mạch tạo sóng board mạch Các thông số cấu trúc anten mạch dải chiều dài L, chiều rộng W, độ dày chất h, số điện môi  20 [...]... phức của vecto cường độ từ trường: (A/m) Hệ số điện thẩm phức của môi trường được tính theo công thức:    p   1  i (1.6)      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: (  e là mật độ khối của điện tích: ( A ) m2 C ) m3 Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ. .. đổi các đặc trưng như tần số cộng hưởng, tính phân cực, đặc tuyến, trở kháng,… Nhược điểm của anten mạch dải là: hiệu suất thấp, năng lượng bức xạ thấp, dải thông hẹp và tính phân cực cao Dải tần làm việc của anten mạch dải cỡ GHz Ở tần số thấp hơn thì kích thước và tính định hướng của anten rất lớn 1.2.1 Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải a Cấu tạo Anten mạch dải thực chất. .. dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng anten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với thành phần đứng f Dải tần của anten Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của anten. .. và cách thức lan truyền 1.1.4 Các thông số cơ bản của anten Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây [3]: - Trở kháng vào - Hiệu suất - Hệ số định hướng và độ tăng ích - Đồ thị phương hướng - Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương - Tính phân cực - Dải tần của anten a Trở kháng vào của anten Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số. .. kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten. .. trị điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có: 2 2 PA  I Ae R A  I Ae Rbx  Rth  (1.15) Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành: A  Pbx Rbx  Pbx  Pth Rbx  Rth (1.16) c Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau người ta đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ 14 số khuếch đại hoặc độ lợi) Các hệ số. .. bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Anten lý tưởng là anten có hiệu suất  A = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng Hệ số định hướng của anten D(,) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ anten có hướng tính sang anten. .. phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tính của anten Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten Đồ thị phương hướng là một đường cong... giữa điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten: ZA  UA  R A  jX A IA (1.11) Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe: 13 RA  (1.12) PA I Ae Thành phần kháng của. ..  )   A D( ,  ) Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten Từ (1.18) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định hướng Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được Pbx theo công thức sau: (1.19) Pbx  PA G A 15 d Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa