Đây là những khái niệm liên quan đến các vùng truyền sóng của angten truyền thông đặc trưng. Angten (hoặc aerial), bao gồm angten phát và angten thu, nó có thể phát hoặc thu các sóng vô tuyến điện từ, là một bộ biến đổi từ tín hiệu dòng điện sang bức xạ sóng điện từ và ngược lại.
Sóng điện từ do angten phát ra có thể phân chia ra một số vùng miền khác nhau phụ thuộc cấu trúc của angten, tần số công suất của sóng và sự tương tác của chúng với không gian truyền sóng. Thường người ta chia ra làm ba vùng: Trường gần và trường xa (Near field and Far field ), giữa chúng là vùng chuyển tiếp (Transition zone). Sóng điện từ phát ra từ angten thể hiện đặc tính nổi trội rất khác nhau trong mỗi vùng từ vị trí anten phát sóng. Sự phân chia ra các vùng là dựa trên bản chất của trường điện từ là hàm của khoảng cách từ nguồn phát. Biên các vùng thường được đo bằng hàm của bước sóng. Ở đây cần lưu ý rằng đặc tính về trường điện từ thay đổi ngay trong từng vùng và phụ thuộc vào cấu trúc từng loại anten sử dụng để truyền sóng. Một số miền truyền sóng của một anten đặc trưng theo quan điểm đặc tính sóng và theo tỷ lệ kích thước giữa anten và bước sóng. Như vậy từ hình trên chúng ta có thể thấy, miền trường gần (near field) có hai miền, miền không phát xạ (Non-radiative region), và miền mang đặc tính phá xạ (Radiative region). Độ lớn miền trường gần cỡ 1 bước sóng λ . Miền trung gian cũng có khoảng cách 1λ. Sau đó là miền trường xa, sóng điện từ ở đây truyền tự do trong không gian, sóng có thể phân cực hay không phân cực phụ thuộc vào đặc tính môi trường và tương tác giữa E và H.
GVHD: TS. Lâm Hồng Thạch -23- HV: Trần Trọng Vinh
Chương 2: Các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ
Một số đặc tính truyền sóng trong miền trường gần và trường xa
Sóng điện từ bao gồm thành phần điện trường E và từ trường H, tùy theo đặc tính môi trường chúng ta có thể mang một số đặc tính: suy hao, tán sắc, phân cực...
a) Trong miền trường gần
Mối quan hệ giữa E và H rất phức tạp, sóng có thể phân cực đồng thời theo nhiều cách tại cùng một vị trí không gian. Trường điện từ trong miền trường gần đều là hàm của bước sóng hoặc khoảng cách.
Miền trường gần tương tác (reactive) hoặc không phát xạ (non-radiactive):
Trong miền này mối quan hệ giữa E và H rất phức tạp, từng thành phần (E và
H) có thể nổi trội trong mỗi điểm, các mối tương quan trái chiều cũng có thể xảy ra trong vùng trường gần. Do vậy, rất khó hoặc không thể xác định chính xác mật độ bức xạ, khi tính bức xạ không những cần biết độ lớn của E, H mà còn cần biết phase của chúng. Trong miền này trường điện từ không chỉ có xu hướng truyền phát hướng ra phía vùng trường xa phía ngoài, mà còn có thành phần phản ứng đối với sóng điện từ, nghĩa là bản chất của trường bao quanh angten là có tính rất nhậy cảm và có tương tác. Sóng cũng bị hấp thụ trong miền này. Ở gần angten, một phần năng lượng có thể truyền qua – lại và lưu trữ tại bề mặt gần angten. Phần năng lượng này được truyền qua lại từ bề mặt angten tới vùng trường gần phản ứng bởi bức xạ điện từ với các hiệu ứng tĩnh từ và tĩnh điện biến đổi một cách rất chậm. Do có một phần năng lượng lưu trú và dịch chuyển qua lại, và nếu như một trong hai hiệu ứng cảm ứng từ hoặc cảm ứng tĩnh điện trong miền trường gần phản ứng truyền năng lượng cho các điện từ trong vật dẫn của angten, thì phần năng lượng này sẽ bị suy hao mất mát.
Miền trường gần phát xạ (reactive): Trong miền này không chứa các thành phần trường phản ứng từ nguồn angten, vì có khoảng cách hơi xa tính từ bề mặt angten, do vậy sự liên kết ngược của các thành phần trường khác nhau bị hạn chế và do vậy sự lưu trữ một phần năng lượng biến đổi qua lại giữa các hiệu ứng cảm ứng từ và cảm ứng điện dung bị hạn chế và do vậy sự lưu trữ một phần năng lượng biến đổi qua lại giữa các hiệu ứng cảm ứng từ và cảm ứng điện
GVHD: TS. Lâm Hồng Thạch -24- HV: Trần Trọng Vinh
dung bị hạn chế. Năng lượng trong miền trường gần phát xạ hoàn toàn là năng lượng phát xạ mặc dù đặc tính của điện trường E và từ trường H vẫn rấ khác so với miền trường xa. Mối quan hệ giữa E và H cũng chưa miêu tả được tường minh.
Miền trường gần định nghĩa theo bước sóng: Một định nghĩa chính xác hơn được đưa ra trên cơ sở đặc tính truyền sóng. Nếu khoảng cách truyền sóng giữa
các angten phát và thu là lớn hơn 2D2/λ (trong đó D là kích thước của chiều lớn
nhất của angten (phát) từ đó được tính là trường xa (miền Frauhofer
diffraction) và nếu khoảng cách đó là nhỏ hơn 2D2/λ, thì miền dưới giá trị này
là miền trường gần (miền Fresnel diffraction). Miền phát xạ có đặc tính quan trọng vì trong miền trường xa thông thường biên độ của sóng giảm theo bậc 1/r, nghĩa là năng lượng tổng cộng trên đơn vị diện tích tại khoảng cách r từ
angten phát tỷ lệ với 1/r2. Diện tích mặt quả cầu lại tỷ lệ với r2, do vậy năng
lượng tổng cộng qua mặt quả cầu là không đổi. Điều này có nghĩa là năng lượng trường xa có thể truyền đi đến khoảng các vô tận.
Trường điện từ trong miền trường gần của một angten có cấu trúc cuộn dây với đường kính nhỏ thì thành phần từ trường H sẽ nổi trội. Đối với angten có tỷ số các kích thước r/λ là nhỏ thì trở kháng của cuộn dây là thấp và sóng có đặc tính chủ yếu là cảm kháng với trạng thái không đối xứng trong miền tương tác ngắn. Giá trị trở kháng trong trường hợp này được ước lượng như sau:
Trường điện từ trong miền trường gần của một angten có cấu trúc một thanh ngắn được tích điện thì thành phần điện trường sẽ nổi trội. Đối với kích thước của tỷ số độ lớn angten trên bước sóng r/λ là nhỏ thì trở kháng của sóng là lớn và có đặc tính chủ yếu của trở kháng mang tính dung kháng với trạng thái không đối xứng trong miền tương tác ngắn. Giá trị trở kháng khi này được ước lượng như sau:
ZW 60 r
GVHD: TS. Lâm Hồng Thạch -25- HV: Trần Trọng Vinh
Chương 2: Các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ
Trong thực tế thì các thành phần trường điện từ E và H luôn biến đổi và tương tác lẫn nhau, thường không thể tính được tường minh và cần phải dùng lý thuyết lượng tử.
b) Trong trường xa
Mối quan hệ giữa E và H mang đặc tính sóng phân cực (phân cực thẳng đứng, ngang, tròn, ellips) truyền tự do, ở đó E và H luôn đi cùng nhau, tại mọi
thời điểm trong không gian. Trong miền trường xa (Far filed) phân bố của
trường cùng với góc pha nào đó về cơ bản là không phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn anten phát, và cũng không phụ thuộc vào cấu trúc anten. Trở kháng cả sóng truyền trong vùng trường xa là tỷ số của độ lớn của điện trường trên từ trường, trong trường xa chúng có phase giống nhau. Do vậy, trở kháng trong trường xa sẽ được định nghĩa như sau:
Z0 def 0c0 =
Nếu sử dụng tốc độ ánh sáng là 3x108 m/s thì giá trị trở kháng của môi
trường tự do sẽ là:
Z0 120377
c, Theo quan điểm của thuyết lượng tử
Trên quan điểm của thuyết lượng tử về tương tác của sóng điện từ thì các hiệu ứng trường xa là do các photon thực tạo ra trong khi đó các hiệu ứng trường gần là do sự tương tác hỗn hợp giữa photon thực và photon ảo. Các photon ảo kết nối các ảnh hưởng trường gần và tín hiệu lại với nhau, có các hiệu ứng khá phức tạp, nó xuất hiện ở khoảng cách ngắn hơn khoảng cách trường xa (miền trung gian) trong đó vai trò các photon thực gây ra là chủ yếu. Xét một cách chi tiết hơn, một số hiện tượng truyền sóng không bình thường trong miền trường gần có liên quan đến một khái niệm vật lý, đó là hiện tượng liên quan đến các sóng evanescent truyền dọc theo bề mặt phân cách giữa kim loại – điện môi ( hay trong trường hợp cụ thể ở đây là giữa bề mặt anten và lớp không khí tiếp giáp anten. Khi này có một lượng điện tích dao động khi chúng có sự kết giao với các trường điện từ. Khi đó mật độ sóng điện sẽ biến đổi theo hàm mũ
Chương 2: Các phương pháp truyền năng lượng sử dụng sóng điện từ
với khoảng cách tính từ bề mặt kim loại (ở đây là bề mặt thanh anten). Các sóng evanescent này có khả năng kích thích một cách rất có hiệu quả với sóng điện từ, nhất là trong vùng ánh sang nhìn thấy. Một sóng evanescent là một sóng đứng trường gần phát sinh trên biên phân cách và với mật độ biến đổi theo hàm mũ giảm dần tính từ biên phân cách.
Các sóng Evanescent xuất hiện là một đặc tính quan trọng trong các phương trình sóng, và về nguyên tắc nó có thể xẩy ra ở bất cứ khung cảnh biên tiếp giáp nào liên quan đến phương trình sóng. Trong kỹ thuật điện tử các sóng evanescent được quan sát thấy trong miền trường gần trong vùng cỡ 1/3 bước sóng cả bất cứ anten radio nào. Trong quá trình hoạt động, anten phát ra trường điện từ vào xung quanh miền trường gần và một phần năng lượng của trường bị hấp thụ trở lại, phần năng lượng còn lại thì phát xạ ở dạng sóng điện từ vào không gian. Trong lý thuyết của cơ học lượng tử, các lời giải sóng evanescent của phương trình Maxwell cho các thông tin liên quan đến hiện tượng xuyên hầm lượng tử. Về mặt toán học các sóng evanescent được đặc trưng bởi một vector sóng, trong đó một hoặc một số thành phần vector có giá trị ảo. Vì rằng vector có các thành phần ảo, nó có thể có một biên độ nhỏ hơn các thành phần thực. Nếu góc tới vượt quá một giá trị góc tới hạn để có phản xạ, khi đó vector sóng của sóng phát có dạng như sau:
k = ky yˆ + kx xˆ = i ˆy + xˆ
Biểu thức này biểu thị một sóng evanescent với thành pần theo trục y là ảo
(ở đây α và β là các số thực và i biểu thị đơn vị ảo).
Thí dụ, nếu phân cực là thẳng, vuông góc với mặt phẳng sóng tới, khi đó trường điện của bất cứ sóng nào (sóng tới, phản xạ hoặc sóng phát) có thể biểu thị bằng biểu thức sau:
E(r, t) = Re E(r)ei t
Ở đózˆ là vector đơn vị theo chiều z. Thay thế dạng sóng evanescent với
vector có số sóng k (như đã chỉ trên), chúng ta có thể viết sóng phát như sau:
E(r) = E0ei (i y + 3x)
GVHD: TS. Lâm Hồng Thạch
Ở đó α là hệ số suy hao và β là hệ số truyền. Liên kết sóng evanescent được thể hiện rất cơ bản rõ nét đối với tương tác trường gần trong lý thuyết trường điện tử. Phụ thuộc vào thành tố của nguồn phát xạ, sóng evanescent được nổi trội ở dạng hoặc là thành phần trường điện khi có đặc tính điện dung nổi trội hoặc trường có thành phần từ trường khi đặc tính từ cảm ứng nổi trội. Không giống như trong vùng trường xa ở đó sóng đạt đến một trạng thái là sóng truyền trong không gian tự do mang đặc tính bức xạ với trở kháng của một không gian tự do như biểu thức (2.3, 2.4). Sự liên kết sóng evanescent thường chỉ xảy ra trong miền trường gần phản ứng (Reactive near field) và như vậy nó có quan hệ mật thiết với tính chất của hệ vật liệu, nghĩa là quan hệ với các thành phần dòng điện cảm ứng và với diện tích có trong miền bề mặt vật liệu. Mối liên kết (coupling) này tương tự như mối liên kết giữa các cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp của một biến thế hoặc giữa hai tấm của tụ điện dung. Về mặt toán học, quá trình này giống như hiện tượng xuyên hầm không phải với các sóng điện từ mà thay vì bởi các hàm sóng cơ lượng tử.