Hệ thống ăng ten là thiết bị không thể thiếu trong bất kỳ một hệ thống thông tin vô tuyến nào và là một bộ phận vô cùng quan trọng. Ăng ten được Webster’s Dictionary định nghĩa là “một thiết bị thường bằng kim loại (dưới dạng thanh hoặc dây) để phát hoặc thu sóng vơ tuyến”. Nói cách khác, ăng ten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn hướng [14], như hình 2.1 có chỉ ra thiết bị dẫn hướng hoặc đường truyền có thể có dạng đường đồng trục hoặc đường ống rỗng (ống dẫn sóng), và nó được sử dụng để vận chuyển năng lượng điện từ từ nguồn phát tới ăng ten, hoặc từ ăng ten đến máy thu.
Hình 2.1 Q trình truyền sóng
Trong một hệ thống liên lạc không dây một hệ thống ăng ten gồm cả ăng ten phát và ăng ten thu được đặt ở cả 2 phía của bộ phát và bộ thu và được yêu cầu hoạt động theo đúng tiêu chí kỹ thuật đề ra. Việc thiết kế triển khai một hệ thống ăng ten có thể tạo ra một hệ thống truyền thông không dây tốt hoặc phá vỡ một hệ thống khơng dây, trong thực tế đã có nhiều hệ thống khơng dây hoạt động kém do việc thiết kế và lắp đặt ăng ten khơng đúng cách. Bên cạnh đó kích thước và hình dạng của ăng ten cũng là khác nhau và tùy thuộc vào chức năng nhiêm vụ của nó.
Một đường truyền Thevenin tương đương với hệ thống ăng ten của Hình 2.1 trong chế độ phát được thể hiện trong Hình 2.2 trong đó nguồn được biểu diễn bởi một máy phát lý tưởng, truyền dịng được biểu diễn bằng một dịng có trở kháng đặc tính Zc, và ăng ten được biểu diễn bằng một tải ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA] được kết nối với đường truyền.
Hình 2.2 Đường truyền Ăng ten Thevenin Tương đương
2.1 Các tham số cơ bản đánh giá ăng ten 2.1.1 Trở kháng vào 2.1.1 Trở kháng vào
Trong trường hợp nối trực tiếp giữa máy phát và ăng ten (bỏ qua đường truyền cao tần), trở kháng vào của ăng ten sẽ được định nghĩa là trở kháng của ăng ten ở điếm cuối của đường truyền hoặc tỷ số điện thế của dòng điện tại điểm cuối của đường truyền. (lưu ý rằng trở kháng vào đối với từng loại ăng ten khác nhau là khác nhau)
Một hệ thống kết nối trực tiếp máy phát với ăng ten được sử dụng rất nhiều trong thực tế với tên gọi (RFID tag antenna) có thể kể đến như thẻ học sinh, thẻ sinh viên, vé gửi xe...
Hình 2.3 Mơ tả trở kháng vào của một ăng ten
Trở kháng vào của một ăng ten ở chế độ phát tại 2 điểm a và b được xác định theo công thức:
𝐴 𝐴 𝐴 𝐿 𝑟𝑎𝑑 𝐴 Với:
𝑅𝐴 : Điện trở của ăng ten 𝑗𝑋𝐴 : Điện kháng của ăng ten 𝑅𝐿 : Điện trở tổn hao
𝑅𝑟𝑎𝑑 : Trở kháng bức xạ
Từ trở kháng bức xạ của ăng ten chúng ta cũng có thể có được cơng thức tính năng lượng bức xạ của ăng ten như sau:
𝑃𝑟𝑎𝑑 = 1
2 × |𝐼𝑔|2 × 𝑅𝑟𝑎𝑑
2.1.2 Phối hợp trở kháng
Hình 2.4 Hệ thống gồm máy phát, mạch cao tần và ăng ten
Để dễ hình dung tại đây chúng ta sẽ coi ăng ten là tải đặt ở cuối đường truyền. Đường truyền được coi như phối hợp trở kháng khi 𝑍0 = 𝑍𝐿 và khơng có phản xạ trên đường truyền. Hay có thể nói một cách đơn giản rằng phối hợp trở kháng là làm sao để cho năng lượng đưa ra từ máy phát được chuyển hoàn toàn đến tải (được hiểu là ăng ten).
Nếu giải thích theo hình 2.4 thì mục đích của mạng phối hợp trở kháng là chuyển đổi trở kháng tải 𝑍𝐿 thành trở kháng vào 𝑍𝑖𝑛 bằng với trở kháng đặc tính đường truyền 𝑍0.
Tuy nhiên không phải lúc nào chúng ta cũng có sẵn phối hợp trở kháng do đó sẽ có các tham số để đánh giá sự phối hợp trở kháng như hệ số phản xạ Γ. Γ ở đây được hiểu là tỉ số điện áp sóng phản xạ 𝑉0− chia cho điện áp sóng tới 𝑉0+ được biểu diễn theo công thức dưới đây:
Γ = 𝑉0−
𝑉0+ = 𝑍𝐿 − 𝑍0 𝑍𝐿 + 𝑍0
Như đã thấy hệ số phản xạ Γ sẽ là một số phức do đó khi chúng ta nhìn vào tham số đánh giá này dưới dạng số phức rất khó để có thể đánh giá là nó đẹp hay khơng đẹp (lý tưởng nhất là hệ số phản xạ Γ tiến về 0 hay nói cách khác là phần thực = 0 và phần ảo = 0). Do đó nhiều giáo trình có đưa ra một tham số đánh giá tường minh và rõ ràng
áp sóng đứng là tỷ số của điện áp cực đại chia cho tỷ số của điện áp cực tiểu. Có thể hiểu đơn giản rằng khi sóng từ máy phát được truyền trên đường truyền gặp ăng ten sẽ tạo thành sóng phản xạ ngược lại. Sự giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ sẽ tạo tên sóng đứng trên đường truyền và như vậy một tham số được gọi là tỷ số điện áp sóng đứng được đưa ra để đánh giá sự phối hợp trở kháng giữa ăng ten và đường truyền cao tần. Tỷ số điện áp song đứng được tính theo cơng thức sau:
VSWR = 1 + |Γ| 1 − |Γ|
Lưu ý tham số VSWR này sẽ nằm trong khoảng giá trị lớn hơn 1 và nhỏ hơn ∞, bên cạnh đó tỷ số này sẽ khơng có đơn vị.
Một tham số nữa cũng có thể dùng để đánh giá phối hợp trở kháng là tham số 𝑆11 (dB), đậy cũng là tham số được suy ra từ hệ số phản xạ Γ và được xác định theo công thức:
𝑆11 [dB] = 20log|Γ|
Hình 2.5 Tham số đánh giá phối hợp trở kháng
Nếu trong thiết kế ăng ten, tham số 𝑆11 hay VSWR là một trong những tham số đầu tiên để đánh giá ăng ten hoạt động tốt hay xấu. Muốn ăng ten hoạt động tốt thì tham số này phải tốt (đó được hiểu như một điều hiện tiên quyết). Tuy nhiên đối với từng loại ăng ten và ứng dụng khác nhau sẽ có chỉ số kỹ thuật cho việc phối hợp trở kháng sẽ khác nhau. Ví dụ như các ăng ten cho các thiết bị di dộng cỡ nhỏ ngày xưa chỉ đòi hỏi tham số 𝑆11 < -3 dB còn đối với các thiết bị điện thoại thơng minh ngày nay thì địi hỏi 𝑆11 < -6 dB và cuối cùng đối với các ăng ten đứng một mình như bộ wifi thì tham số 𝑆11 là < -10 dB (một chú thích rằng tại 𝑆11 < -10 dB tức là chúng ta đã chuyển 90% năng lượng từ máy phát đến ăng ten).
Ăng ten là một thiết bị chuyển đổi sóng điện từ, mà trong song điện từ có mang năng lượng do đó hiệu xuất bức xạ của ăng ten là một yếu tố vô cùng quan trọng giúp xác định cơng xuất bức xạ ra ngồi của ăng ten. Dựa vào hình 2.4 cơng xuất bức xạ ra ngồi của ăng ten được xác định theo cơng thức:
𝑃𝑟𝑎𝑑 = 𝑒𝑐𝑑 × 𝑃𝑖𝑛 = 𝑒𝑐𝑑 × 𝑒𝑟 × 𝑃0 = 𝑒𝑐 × 𝑒𝑑 × (1 - |Γ|2) × 𝑃0 Với:
𝑒𝑐𝑑: Hiệu xuất bức xạ
𝑒𝑐: Hiệu xuất truyền điện (tổn hao truyền điện) 𝑒𝑑: Hiệu xuất điện môi (tổn hao điện môi) 𝑒𝑟: Hiệu xuất phối hợp trở kháng
Hay nói một cách dễ hiểu nó sẽ bằng năng lượng đi vào ăng ten (𝑃𝑖𝑛) nhân với hiệu xuất bức xạ (𝑒𝑐𝑑). Hiệu xuất bức xạ thì sẽ bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố đó là bản chất vật liệu làm nên ăng ten được thể hiện bằng tham số hiệu xuất truyền điện (𝑒𝑐) và tổn hao điện mơi (𝑒𝑑). Bên cạnh đó một tham số cũng quan trọng khơng kém đó là hiệu xuất phối hợp trở kháng, khi hiệu xuất phối hợp trở kháng tốt thì công xuất đưa về ăng ten sẽ tốt. Từ công xuất đưa về ăng ten tốt đó kết hợp với hiệu xuất bức xạ tốt sẽ tạo nên một ăng ten đạt yêu cầu.
2.1.4 Đồ thị bức xạ
Hình 2.6 Ví dụ về đồ thị bức xạ của ăng ten
Theo định nghĩa đồ thị bức xạ của ăng ten là hàm toán học hoặc đồ thị biểu diễn đặc tính bức xạ của ăng ten. Bên cạnh đó nó cũng có thể biểu diễn độ lớn của trường hay cường độ trường và một chú ý nữa là nó cũng thay đổi theo tần số.
Nhìn vào hình 2.6 chúng ta thấy được có 3 dạng đồ thị bức xạ. Thứ nhất là bức xạ đẳng hướng theo mọi hướng (isotropic pattern), thì tại dạng bức xạ này trường bức xạ là đều nhau theo mọi hướng tuy nhiên trong thực tế đối với việc thiết kế ăng ten rất
nó chỉ mang tính lý thuyết. Dạng bức xạ thứ hai được đề cập đó là bức xạ định hướng (directional pattern), trong trường hợp này năng lượng bức xạ sẽ được tập chung vào một hướng cụ thể (thông thường hướng bức xạ này là hướng mà chúng ta muốn truyền năng lượng đi theo như chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra). Dạng bức xạ thứ hai này cũng được sử dụng vô cùng nhiều ngồi thực tế như các hệ thống thơng tin vệ tinh hay các hệ thống thông tin di động mà cụ thể là trạm gốc. Cuối cùng dạng bức xạ được đưa ra là bức xạ đẳng hướng nhưng theo một mặt phằng nào đó (omnidirectional patterns), trong dạng bức xạ này thì sẽ có hai dạng là bức xạ theo hình dẹt hoặc hình chóp.
Tiếp theo chúng ta sẽ đề cập đến các dạng biểu diễn đồ thị bức xạ. Đối với các dạng biểu diễn đồ thị bức xạ chúng ta có thể kể đến như đồ thị 3D,2D. Đối với dạng 3D được biểu diễn bằng các đồ họa máy tính hiên đại ngày nay chúng ta sẽ thấy một cách rõ nét hình dáng và dạng đồ thị bức xạ của ăng ten. Còn đối với ngày xưa khi chưa có các hệ thống máy tính đồ họa hiện đại các chuyên gia thường biểu diễn dưới dạng 2D vẫn có thể xác định các đặc tính bức xạ của ăng ten.
Hình 2.7 Các dạng biểu diễn đồ thị bức xạ
Vậy một câu hỏi đặt ra rằng dực vào đồ thị bức xạ chúng ta có thể xác định các tham số nào. Dựa vào một ví dụ như hình 2.8 dưới đây chúng ta có thể thấy được các tham số chúng ta có thể xác định dựa vào đồ thị bức xạ là độ rộng búp sóng nửa cơng xuất, tỷ số bức xạ búp sóng trước và sau, mức búp sóng phụ, phân cực… Tóm lại một đồ thị bức xạ đầy đủ sẽ cung cấp đầy đủ đặc tính bức xạ của một ăng ten tại tần số chúng ta chọn.
Hình 2.8 Đồ thị bức xạ của ăng ten ở các tần số
2.1.5 Độ rộng búp sóng
Hình 2.9 Ví dụ về búp sóng
Khái niệm nữa được tìm hiểu đó là độ rộng búp sóng được xác định, suy ra từ đồ thị bức xạ. Một ví dụ về cách xác định độ rộng búp sóng được đưa ra dưới đây trong hình 2.9, nhìn vào hình chúng ta có thể thấy rằng độ rộng búp sóng nửa cơng xuất được xác định bằng góc mà tại vị trí đó năng lượng bức xạ giảm đi một nửa so với bức xạ đỉnh. Ví dụ chúng ta lấy năng lượng bức xạ tại đỉnh bằng 1 thì góc tạo bởi hai mức năng lượng giảm đi một nửa 0.5 này được gọi là búp sóng nửa cơng xuất. Cịn góc tạo bởi hai
Width.
Bên cạnh các búp sóng chính chúng ta có thể thấy cịn có các búp sóng phụ và búp sóng ngược. Nếu trong một đồ thị bức xạ chúng ta thấy búp sóng nào tập chung nhiều năng lượng nhất thì nó thường sẽ là búp sóng chính.
Một tham số nữa được đưa ra để chứng minh năng lượng tập chung đúng hướng mình mong muốn được gọi là mức búp sóng phụ (side lobe level). Nó sẽ bằng năng lượng của búp sóng chính chia cho năng lượng của búp sóng phụ hay theo dB sẽ bằng năng lượng búp sóng chính trừ đi năng lượng búp sóng phụ lớn nhất.
2.1.6 Hệ số tính hướng
Theo định nghĩa hệ số tính hướng của ăng ten là tỷ số của cường độ bức xạ ở hướng cho sẵn trên cường độ bức xạ trung bình trên tất cả mọi hướng. Hệ số định hướng đại diện cho một ăng ten bức xạ định hướng tốt hay khơng tốt do đó hệ số định hướng là một tham số vơ cùng quan trọng trong thiết kế ăng ten.
Hình 2.10 Tính hướng của ăng ten
Để minh họ rõ ràng hơn chúng ta quan sát hình 2.10 dưới đây, với một ăng ten bức xạ định hướng hình màu xanh đậm và một ăng ten bức xạ đẳng hướng hình của màu xanh nhạt thì chúng ta thấy được hệ số định hướng sẽ bằng cường độ bức xa theo một hướng bất kỳ của ăng ten định hướng 𝑈(𝜃,Φ) chia cho cường độ bức xạ trung bình của ăng ten đẳng hướng 𝑈0. Công thức được mô tả dưới đây:
𝐷(𝜃, Φ) = 𝑈(𝜃,Φ)
𝑈0 = 4𝜋 × 𝑈(𝜃,Φ) 𝑃𝑟𝑎𝑑
Một lưu ý rằng hệ số đinh hướng của một ăng ten về mặt bản chất vậy lý thứ ngun sẽ khơng có đơn vị và xác định bằng số lần. Tuy nhiên hệ số định hướng này với các ăng ten định hướng lớn chẳng hạn như ăng ten thu vệ tinh hay các ăng ten yagi thu ti vi thì hệ số đinh hướng của nó nếu tính theo số lần có thể lên đến hàng trăm. Do đó nếu chúng ta tính tốn đối với những con số quá lớn như vậy sẽ dễ gây ra sai số, vì vậy để con số nhỏ đi và thân thuộc dễ dàng hơn trong việc tính tốn chúng ta thường sẽ
khi chuyển sang dB cũng chỉ khoảng 20dB tuy nhiên nếu hệ số tính hướng bằng 1000 lần thì sang dB cũng chỉ 30dB. Do đó có thể thấy khi chuyển sang dB hệ số tính hướng sẽ thân thuộc dễ dàng hơn rất nhiều.
Nếu trong một ăng ten định hướng khơng nói rõ hướng xác định cụ thể thì có thể coi như hướng có cường độ bức xạ lớn nhất 𝑈𝑚𝑎𝑥 là hướng của ăng ten được xác đinh theo công thức:
𝐷 = 𝐷0 = 𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝑈𝑚𝑎𝑥 𝑈0
Bên cạnh đó một tham số để đánh giá sâu hơn về hệ số tính hướng của ăng ten là độ rộng búp sóng đặc Ω𝐴. Độ sống búp sóng đặc Ω𝐴 được định nghĩa là góc đặc ở đó tất cả cơng xuất của ăng ten sẽ chảy qua nếu nếu cường độ bức xạ của ăng ten đó là hằng số và bằng cường độ bức xạ lớn nhất 𝑈𝑚𝑎𝑥 cho tất cả các góc trong Ω𝐴 như hình 2.11 dưới đây.
Hình 2.11 Độ rộng búp sóng đặc
2.1.7 Hệ số tăng ích
Nếu hệ số tính hướng là một tham số quan trọng để đánh giá một ăng ten thì tham số tiếp theo cũng quan trọng không kém đối với việc thiết kế ăng ten là hệ số tăng ích. Bản chất của hệ số tăng ích là thể hiện sự bức xạ năng lượng được tăng cường, khếch đại lên. Cịn theo định nghĩa hệ số tăng ích là giống với hệ số định hướng nhưng sẽ bao gồm them một yếu tố nữa chính là tổn hao của ăng ten. Hệ số tăng ích được tính theo cơng thức:
𝐺(𝜃, Φ) = 4𝜋 × 𝑈(𝜃,Φ)
𝑃𝑖𝑛 (𝑃𝑟𝑎𝑑 = 𝑒𝑐𝑑 × 𝑃𝑖𝑛) Với:
𝑃𝑖𝑛: Tổng công xuất vào (công xuất đi vào ăng ten) 𝑒𝑐𝑑: hiệu xuất bức xạ
Vì vậy dựa vào cơng thức phía trên có thể kết luận rằng hệ số tăng ích phụ thuộc vào cả hệ số tính hướng và hiệu xuất.
với công thức:
𝐺0 = 𝐺(𝜃, Φ)𝑚𝑎𝑥 = 𝑒𝑐𝑑 × 𝐷0
Tuy nhiên theo định nghĩa cũ, hệ số tăng ích hay realized gain cịn bao gồm cả hiệu xuất phản xạ được xác định theo công thức:
𝐺 = 𝑒0 × 𝐷 Với:
𝑒0 = 𝑒𝑟 × 𝑒𝑐 × 𝑒𝑑: Tổng hiệu xuất của ăng ten 𝑒𝑟: Hiệu xuất phản xạ
Trong thực tế 𝑒𝑐: hiệu xuất truyền dẫn (tổn hao dẫn điện) và 𝑒𝑑: hiệu xuất điện môi (tổn hao điện mơi) rất khó để tính. Chúng được xác định bằng thưc nghiệm nhưng để tính riêng rẽ thì rất khó nên gọi chung là 𝑒𝑐𝑑: hiệu xuất bức xạ
2.1.8 Băng thông
Theo định nghĩa băng thông là dải tần làm việc của ăng ten ở đó ăng ten có một hay một số các tham số thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật cho trước. Đối với các chỉ tiêu kỹ thuật sẽ khác nhau cho từng loại ăng ten vì tùy vào từng ứng dụng, thiết bị. Ví dụ như đối với các thiết bị trạm vệ tinh thì chỉ tiêu kỹ thuật cho băng thơng sẽ cao hơn với |𝑆11|