ở đây, R khoảng cách tính từ bề mặt ăng ten, D là kích thước lớn nhất của ăng ten, là bước sóng trong không gian tự do.
Vùng bức xạ (Fresnel) là vùng giữa miền trường gần và miền trường xa. Những cảm ứng của bức xạ yếu hơn, trường phân bố theo góc là một hàm của khoảng cách tính từ ăng ten. Đường biên ngoài cùng cho miền này là:
2
2D
R
(2.2)
Miền trường xa (Far field) là vùng xa ăng ten nhất. Trong vùng này dạng bức xạ của ăng ten được xác định và không phụ thuộc vào khoảng cách tính từ ăng ten. Đường biên trong cho vùng này là biên ngoài của vùng bức xạR 2D2
, và biên ngoài là vô cùng.
2.1.3.3. Búp sóng ( obe)
Búp sóng là độ rộng của tín hiệu cao tần mà ăng ten phát ra. Búp sóng của trường bức xạ thường được phân loại như sau: búp sóng chính (mainlobe), búp sóng phụ (sidelobe), búp sóng phía sau (backlobe). Búp sóng được biểu diễn ở Hình 2. 5.
20
- Búp sóng chính (Mainlobe): chứa phương hướng sự bức xạ cực đại của ăng ten. - Búp sóng phụ (Sidelobe) là toàn bộ những búp sóng khác ngoài búp sóng chính.
Những búp sóng này có phương hướng bức xạ rất nhỏ, đây là những hướng bức xạ không mong muốn.
- Búp sóng sau (Backlobe): ngược hướng với búp sóng chính.
2.1.3.4. Độ rộng búp sóng (beam width)
Thông thường ta phân biệt làm hai loại như sau:
- Độ rộng búp sóng nửa công suất (Half Power Beam Width): là góc giữa hai hướng có cường độ bức xạ bằng ½ giá trị cực đại trong mặt phẳng chức hướng bức xạ cực đại của búp sóng (cường độ bức xa ở giữa hai hướng này giảm 3 dB so với hướng cực đại)
Hình 2. 6: Độ rộng hùm n ông suất
- Độ rộng chùm giữa các bức xạ không đầu tiên (First Null Beam Width): trường tạo bởi hai tia xuất phát từ nguồn và tiếp tuyến với búp sóng chính tại nguồn điểm bức xạ.
2.1.3.5. C ờng độ bức xạ (Radiation Intensity)
Cường độ bức xạ (U) của ăng ten theo một hướng cho trước là tỷ số giữa công suất bức xạ trên một đơn vị góc khối theo hướng đó. Cường độ bức xạ là thông số được xác định trong miền trường xa. Về mặt toán học nó được xác định như sau:
21
2
rad
U r W (2.3)
Trong đó: : mật độ công suất bức xạ r là bán kính khối cầu.
2.1.3.6. Độ định h ớng (Directivity)
Độ định hướng của ăng ten theo một hướng cho trước là tỷ số giữa cường độ bức xạ theo hướng này và cường độ bức xạ trung bình theo mọi hướng (nếu không đề cập đến một hướng cụ thể nào thì chúng ta ngầm hiểu là hướng có biên độ bức xạ cực đại).
(2.4) (2.5) Trong đó: D là độ định hướng. = là độ định hướng cực đại. U là cường độ bức xạ(W/sr). là cường độ bức xạ cực đại (W/sr). là tổng công suất bức xạ(W). 2.1.3.7. Độ lợi (Gain)
Độ lợi của ăng ten là tỷ số giữa cường độ bức xạ U theo một hướng cho trước và cường độ bức xạ thu được nếu công suất đưa vào ăng ten được bức xạ đẳng hướng (isotropic).
(2.6)
Nếu ăng ten không tổn hao thì .
Do các tổn hao tồn tại ở các khâu phối hợp trở kháng giữa đường truyền sóng và ăng ten, tổn hao đường truyền và tổn hao trên ăng ten (do điện môi, sai phân cực), công
22
suất bức xạ ( ) của ăng ten luôn nhỏ hơn công suất nhận được từ nguồn ( ). Vì vậy, trong thực tế độ lợi luôn nhỏ hơn độ định hướng.
Ta có biểu thức sau:
(2.7)
Với hiệu suất bức xạ:
Đơn vị dùng để biểu diễn độ lợi là dBi (độ lợi của ăng ten định hướng) hay dBd (độ lợi của ăng ten lưỡng cực nửa sóng). Để chuyển đổi từ dBd sang dBi ta chỉ cần cộng thêm 2,15 vào dBd để được dBi.
2.1.3.8. Trở kháng vào
Trở kháng vào của ăng ten là tỉ số giữa điện áp U và dòng điện I tại đầu kết nối của ăng ten (điểm mà đường truyền dẫn tín hiệu được nối vào ăng ten). Trở kháng vào của ăng ten thường được biểu diễn dưới dạng số phức:
(2.8)
Với là điện trở thuần của ăng ten thực Cảm kháng hay dung kháng của ăng ten ảo Điện trở bức xạ
Điện trở tổn hao
Trở kháng vào của ăng ten thường được tính toán sao cho việc kết hợp năng lượng là hiệu quả nhất giữa ăng ten và đường truyền dẫn. Điều này chỉ có thể đạt được khi trở kháng đặc tính của đường truyền dẫn và trở kháng vào của ăng ten là như nhau và không có thành phần ảo. Tuy nhiên rất khó loại bỏ đi thành phần ảo này trong ăng ten.
Trong thực tế một mạch phối hợp trở kháng thường được chế tạo như là một phần của ăng ten để thay đổi thành phần trở kháng của nó sao cho có thể phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn tốt nhất.
23
Trong hệ thống truyền năng lượng không dây (WPT) sử dụng chùm tia vi ba công suất cao thì hệ thống ăng ten phát và thu là yếu tố quyết định công suất và hiệu suất truyền, chính vì vậy sự lựa chọn kiểu ăng ten là sự tối ưu cho hệ thống. Hệ WPT là hệ truyền năng lượng bằng cách sử dụng một chùm tia vi ba hẹp, có tính định hướng rất cao, mật độ công suất trên thiết diện tia rất lớn nên thiết kế tối ưu hóa ăng ten phải dựa trên những yêu cầu này.
Trong các kiểu ăng ten ta có thể thấy có ăng ten kiểu parabol, ma trận ăng ten mạch dải đáp, ăng ten dipole trên mạch in ứng những yêu cầu của WPT sử dụng chùm tia vi ba:
- Đối với hệ thống ăng ten parabol bản chất là có hiệu suất cao, độ tăng ích lớn nhưng nhược điểm là nặng nề cồng kềnh khi gh p nối thành mảng, khó ghá lắp. - Ma trận ăng ten mạch dải, dipole mạch dải tuy có hiệu suất truyền nhỏ hơn
parabol nhưng có ưu điểm là trọng lượng nhỏ hơn, nhất là khi sử dụng lớp điện môi là không khí - đây chính là ưu điểm lớn nhất khi đưa lên không gian vũ trụ, sử dụng triệt để không gian khi gh p nối thành mảng lớn, mật độ công suất trên thiết diện của tia sóng truyền đồng đều hơn.
Để khắc phục nhược điểm về hiệu suất của các loại ăng ten trên mạch in người ta gh p bộ khuếch đại công suất trực tiếp đến từng phần tử trong mảng, bỏ đi những đường truyền cổ điển như feeder, waveguide.., không còn bộ chia bằng mạch dải stripline, chọn lớp điện môi bằng không khí tự nhiên (ε =1) s cho kích thước phần tử lớn nhất, tối ưu số lượng phần tử (khoảng không gian mảng) khi diện tích mảng giới hạn.