Nguyên lý bức xạ của anten lưỡng cực chéo trong truyền sóng không dây

Nguyên lý bức xạ

Anten lưỡng cực chéo là một thiết bị truyền thông không dây được thiết kế để có khả năng chấp nhận và phát sóng tín hiệu theo cả hai hướng chéo, ngang và dọc. Ở vùng tiếp giáp giữa anten và không gian tự do, các sóng bậc cao và dòng điện sẽ xuất hiện, tương tự như trong trường hợp ống dẫn sóng chữ nhật. Tuy vấn đề phức tạp khi giải bài toán bức xạ của anten lưỡng cực chéo trong trường hợp tổng quát, chúng ta thường coi trường tại miệng anten là sự kết hợp của sóng tới và sóng phản xạ.

Để biểu diễn hàm phương hướng chuẩn hóa của anten lưỡng cực chéo, chúng ta có thể sử dụng các đa thức Legendre và các hàm Bessel. Độ rộng đồ thị phương hướng: Điều quan trọng trong nguyên lý bức xạ của anten lưỡng cực chéo là độ rộng của đồ thị phương hướng. Điều này ám chỉ rằng anten có kích thước lớn hơn sẽ có độ rộng phương hướng nhỏ hơn, giúp cải thiện tính định hướng của anten lưỡng cực chéo.

Tính định hướng và trở kháng: Anten lưỡng cực chéo thường gặp nhược điểm về tính định hướng và biến động đột ngột về trở kháng tại miệng anten. Mở rộng miệng anten có thể giúp cải thiện trở kháng sóng và hạn chế hiện tượng phản xạ, làm tăng hiệu suất của anten lưỡng cực chéo. Phản xạ và truyền tải: Một phần nhỏ của năng lượng sóng có thể bị phản xạ trở lại, nhưng đa số sẽ được truyền tải xuống phần thân anten.

Quá trình này giúp anten chuyển đổi năng lượng sóng thành sóng điện từ để truyền tảiHướng cực chéo: Anten lưỡng cực chéo có khả năng chấp nhận và phát sóng tín hiệu theo cả hai hướng chéo, ngang và dọc. Dựa trên lý thuyết anten bức xạ mặt, hàm phương hướng chuẩn hóa của anten lưỡng cực chéo có thể được xác định trong các mặt phẳng E (chếch) và H (ngang). Trong chế độ này, anten tạo ra sóng với một hướng cụ thể của điện trường và từ trường, có nghĩa là sóng chỉ dao động theo một hướng cụ thể trong không gian.

Trong chế độ này, anten tạo ra sóng với hình dạng cầu vồng, tức là điện trường và từ trường dao động theo đường tròn khi di chuyển qua một điểm cố định trong không gian. Để đạt được phân cực tròn, anten lưỡng cực chéo được thiết kế sao cho có sự chênh lệch pha giữa hai phần tử anten và có mức độ phân cực kép đặc biệt. Có hai loại chính của phân cực tròn: phân cực tròn ngược chiều kim đồng hồ (Right Hand Circular Polarization - RHCP) và phân cực tròn theo chiều kim đồng hồ (Left Hand Circular Polarization - LHCP), tùy thuộc vào hướng quay của cầu vồng.

Cấp nguồn

Tương tác với sóng: Khi tín hiệu sóng radio đến anten, mỗi phần cực chéo sẽ chấp nhận một phần của năng lượng sóng. Quá trình này tạo ra sự tương tác với tín hiệu từ cả hai hướng, cung cấp khả năng chấp nhận và phát sóng linh hoạt. Tại đây, sóng sẽ trải qua quá trình chuyển đổi và được phát ra từ miệng anten.

Điều này làm cho anten linh hoạt trong việc đáp ứng và định hình vùng phủ sóng, đặc biệt hữu ích trong môi trường đa hướng. Công thức cho độ rộng của đồ thị phương hướng (2θE và 2θH) thường phản ánh sự linh hoạt và khả năng định hướng của anten. Đối với anten lưỡng cực chéo, thường có hai phần tử anten chính nằm chéo nhau.

Mỗi phần tử này thường được thiết kế để tạo ra sóng với một phân cực tuyến tính, thường là vuông góc với nhau. Khi tín hiệu được truyền qua hai phần tử này, có sự pha chênh lệch và amplitud của tín hiệu, tạo ra phân cực kép. Trong trường hợp sử dụng một nguồn cấp, chiều dài và hình dạng của các lưỡng cực phải được điều chỉnh sao cho tổng hợp trở kháng đầu cuối có thể đưa về một điểm cấp nguồn duy nhất, đảm bảo điện trở thuần và tạo ra dòng điện cầu phương trong mỗi lưỡng cực.

Tuy nhiên, phương pháp này thường gặp khó khăn trong việc thiết kế vật lý của anten. Chú ý rằng trong báo cáo này, ta sẽ tập trung vào phương pháp sử dụng hai nguồn cấp. Ở đây, tín hiệu RF sẽ được tách thành hai tín hiệu bằng nhau bằng bộ tách hai chiều, sau đó trễ tín hiệu thêm vào một khoảng 90 độ.

Phương pháp này giúp giảm độ khó khăn trong việc thiết kế anten, vì không cần phải thay đổi kích thước vật lý của nó. Tuy nhiên, thách thức nằm ở việc tích hợp anten vào bo mạch và đồng thời kết hợp nó với các thành phần khác.

Hàm phương hướng

Ta thấy, module của các hàm và có giá trị cực đại là fθ fφ WI1el.

Bức xạ điện từ

•Cặp dipole bức xạ theo 2 hướng của trục z, cả hai đầu đều bức xạ ra phân cực tròn nhưng ngược chiều phân cực. •Có thể tăng tính định hướng bằng cách đặt tấm kim loại ở phía sau nhằm phản xạ phần bức xạ ngược.

ỨNG DỤNG CỦA ANTEN LƯỠNG CỰC CHÉO

MÔ PHỎNG

Mô Phỏng Anten

- Anten lưỡng cực chéo bằng cáp đồng trục được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS Electronics Desktop.