2.1. Lý thuyết chung về anten
2.1.2. Các thơng số cơ bản của anten
a. Giản đồ bức xạ
Các tín hiệu vơ tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng. Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten.
Giản đồ bức xạ của anten được định nghĩa như sau: “là một hàm tốn học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ khơng gian”. Trong hầu hết các trường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa. Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lượng bức xạ trong khơng gian 2 chiều hay 3 chiều, sự phân bố đĩ là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt cĩ bán kính khơng đổi. Hệ tọa độ thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ trong hình 2-3:
Hình 2-3: Hệ thống tọa độ phân tích anten
Trong thực tế, ta cĩ thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D. Thơng thường chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị đặc biệt của φ, và giản đồ là hàm của φ với một vài giá trị đặc biệt của θ là đủ để đưa ra hầu hết các thơng tin cần thiết.
Giản đồ đẳng hướng và hướng tính
Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng. Mặc dù nĩ là lý tưởng và khơng thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sử dụng nĩ như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten thực. Anten hướng tính là “anten cĩ đặc tính bức xạ hay thu nhận sĩng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng cịn lại.
Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình 1.5. Ta nhận thấy rằng giản đồ này là khơng hướng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với [f(φ),θ = π / 2] và hướng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với [g(θ),φ= const].
Hình 2-4: Giản đồ bức xạ vơ hướng
Mặt phẳng E được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại”, và mặt phẳng H được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector từ trường và hướng bức xạ cực đại”. Trong thực tế ta thường chọn hướng của anten thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z). Một ví dụ được thể hiện trong hình 2-5. Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với φ= 0 ) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (với θ = π / 2 ) là mặt phẳng H.
Hình 2-5: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và H cho anten loa Các búp sĩng của giản đồ bức xạ hướng tính Các búp sĩng của giản đồ bức xạ hướng tính
Các búp sĩng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay cịn gọi là các thùy (lobe) cĩ thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùy sau. Hình 2-6(a) minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ. Một vài thùy cĩ cường độ bức xạ lớn hơn các thùy khác. Nhưng tất cả chúng đều được gọi là các thùy. Hình 2-6(b) thể hiện giản đồ 2D (một mặt phẳng của hình 2-6(a))
Hình 2-6: Các búp sĩng của anten bức xạ hướng tính (a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten (a) Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten
(b) Đồ thị của giản đồ cơng suất và các thùy các độ rộng chùm kết hợp
Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính) được định nghĩa là “thùy chứa hướng bức xạ cực đại”. Trong hình 1.7, thùy chính đang chỉ theo hướng θ = 0. Cĩ thể tồn tại
nhiều hơn mộtthùy chính. Thùy phụ là bất kỳ thùy nào, ngoại trừ thùy chính. Thường thường, thùy bên là thùy liền sát với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hướng của chùm chính. Thùy sau là “thùy bức xạ mà trục của nĩ tạo một gĩc xấp xỉ 180 độ so với thùy chính. Thường thì thùy phụ định xứ ở bán cầu theo hướng ngược với thùy chính. Thùy phụ thể hiện sự bức xạ theo các hướng khơng mong muốn, và chúng phải được tối thiểu hĩa. Thùy bên thường là thùy lớn nhất trong các thùy phụ. Cấp của thùy phụ được thể hiện bởi tỷ số của mật độ cơng suất theo hướng của thùy đĩ với mật độ cơng suất của thùy chính. Tỉ số này được gọi là tỉ lệ thùy bên hay cấp thùy bên.
b. Mật độ cơng suất
Cơng suất bức xạ của anten cĩ thể được tính bằng cách lấy tích phân của vectơ Poynting trên khe bức xạ:
1 Re ( ) 2 r aperture P E H dS
Đối với anten vi dải, trường điện bên trong miếng patch thì vuơng gĩc với miếng dẫn và mặt phẳng đất và trường từ thì song song với cạnh của anten. Ngồi ra, ta cĩ thể tính tốn cơng suất bức xạ từ đồ thị bức xạ theo phương trình sau:
2 2 2 0 1 (| | | | ) sin 2 r P E E r d d c. Cường độ bức xạ
Cường độ bức xạ trong một hướng cho trước được định nghĩa là “Cơng suất được bức xạ từ một anten trên mỗi đơn vị gĩc khối”. Cường độ bức xạ là một thơng số thu được ở trường xa, và nĩ là tích mật độ bức xạ với bình phương khoảng cách:
U = r W Trong đĩ:
U :Cường độ bức xạ (W/gĩc khối) W : Mật độ bức xạ (W/m ).
d. Độ rộng búp sĩng
Độ rộng búp sĩng được lấy theo giá trị gĩc của búp sĩng chính theo một trong hai (hoặc cả hai) mặt cắt đứng hoặc ngang. Một vài khái niệm về độ rộng búp sĩng, bao gồm độ rộng nửa cơng suất hoặc 3 dB (HPBW), độ rộng 10 dB, và độ rộng điểm khơng đầu tiên (FNBW). Độ rộng búp sĩng 3dB là gĩc lớn nhất mà độ lợi ở đĩ thấp
hơn tăng ích cực đại 3dB hay tại các điểm cĩ cơng suất bức xạ giảm một nửa so với cơng suất bức xạ cực đại. Độ rộng búp nửa cơng suất được dùng phổ biến nhất.
Hình 2-7: Độ rộng búp sĩng
e. Độ định hướng
Độ đính hướng của một anten là tỷ lệ của cường độ bức xạ tại một hướng cho trước với cường độ bức xạ trung bình tại tất cả các hướng của anten đĩ. Cường độ bức xạ trung bình bằng tổng cơng suất được bức xạ của anten chia cho 4π. Nếu khơng xác định được hướng thì hướng của anten chính là hướng cĩ cường độ bức xạ lớn nhất. Cụ thể, độ định hướng được tính tốn bởi cơng thức sau:
D = U U = 4πU P D = D =U U = 4πU P Trong đĩ: D: Độ định hướng D : Độ định hướng cực đại.
U: Cường độ bức xạ (W/đơn vị gĩc khối)
U : Cường độ bức xạ cực đại (W/đơn vị gĩc khối) U : Cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng
P : Tổng cơng suất được bức xạ. f. Hiệu suất anten
Bên cạnh những thơng số trên, chúng ta cịn cĩ thể tính được tổng hiệu suất của anten, hệ số sĩng đứng (VSWR) hoặc hệ số suy hao (RL) của anten.
Tổng hiệu suất của anten được tính bằng cồng thức:
0 r. c. d
e e e e
Trong đĩ e0: tổng hiệu suất
r
e : hiệu suất phản xạ er 1 2
c
e : hiệu suất dẫn
d
e : hiệu suất chất điện mơi
: Hệ số hiệu suất phản xạ đầu vào.
Hiệu suất búp sĩng là hiệu suất của anten thể hiện chất lượng của anten phát và anten thu. Nĩ cịn là tỷ lệ giữa cơng suất phát (hoặc thu) trong một gĩc cố định và tổng cơng suất phát (hoặc thu) của cả anten. Nĩi chung, búp sĩng chính là búp cĩ cơng suất lớn, vì thể hiệu suất của búp cịn được tính bởi tỷ lệ giữa cơng suất của búp chính và tổng cơng suất cĩ được của anten.
Hệ số sĩng đứng điện áp được xác định bởi tỷ số độ lớn giữa điện áp cực đại và cực tiểu trên đường truyền:
max min 1 ( ) ( ) 1 ( ) V V V l VSW R l V V V l
Hệ số suy hao: RL 20 log10
g. Độ lợi
Độ lợi thu và phát của anten là khả năng đưa ra năng lượng điện trường theo một hướng xác định hoặc thu năng lượng từ một hướng xác định. Đối với các hệ thống trực xạ yêu cầu anten phát chỉ phát năng lượng về một hướng duy nhất, là hướng của anten cần thu.
Độ lợi của anten là tỷ lệ giữa cường độ bức xạ tại một hướng cho trước với cường bộ bức xạ được phát ra từ một anten lý tưởng (vơ hướng), với cùng một cơng suất đưa vào. Độ lợi anten chủ yếu lệ thuộc vào tần số làm việc và đường kính của nĩ.
Độ lợi của anten là một thơng số biểu thị cho đặc tính bức xạ của anten so với hệ số định hướng. Vì nĩ khơng chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính của anten mà cịn biểu thị sự tổn hao cơng suất trên anten. Độ lợi của anten cĩ thể được tính bằng cơng thức sau đây:
G = 4π radiation intensity
total input (accepted)power= 4π
U(θ, ∅) P
Bên cạnh đĩ, tổng cơng suất bức xạ (Prad) lại liên hệ với tổng cơng suất đầu vào của anten bởi cơng thức:
P = e P
Trong đĩ: e là hiệu suất bức xạ của anten được định nghĩa ở phần trên. Vì vậy cơng thức tính độ lợi được viết lại như sau:
G(θ, φ) = e 4πU(θ, φ) P G(θ, φ) = e D(θ, φ)
Như vậy, độ lợi và độ định hướng liên hệ với nhau qua hiệu suất bức xạ của anten.