CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ANTEN
Lý thuyết chung về anten
Anten là thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian, đóng vai trò là cầu nối giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng Thông thường, máy phát và anten phát, cũng như máy thu và anten thu, không kết nối trực tiếp mà thông qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là fide Máy phát tạo ra dao động điện cao tần, truyền qua fide đến anten phát dưới dạng sóng điện từ Ngược lại, anten thu nhận sóng điện từ từ không gian và biến đổi chúng thành sóng điện từ, sau đó truyền về máy thu qua fide Yêu cầu đối với anten và fide là đảm bảo truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao mà không làm méo dạng tín hiệu.
Hình 1.1 Anten như một thiết bị truyền sóng [1]
Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten trong hình 1.1 hoạt động ở chế độ phát, được mô tả trong hình 1.2 Trong đó, nguồn được thể hiện bằng bộ tạo dao động lý tưởng, và đường truyền dẫn được biểu diễn qua đường dây với trở kháng đặc trưng.
Zc, và anten đƣợc thể hiện bởi tải ZA, trong đó ZA=(R L + Rr)+jX A Trở kháng tải R L thể hiện sự mất mát do điện môi và vật dẫn
Hình 1.2 Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [1]
Sóng phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và anten tạo ra sóng đứng, dẫn đến sự hình thành các nút và bụng sóng trên đường truyền Nếu anten không được thiết kế chính xác, đường truyền có thể trở thành thành phần lưu giữ năng lượng thay vì truyền năng lượng hiệu quả Cường độ trường của sóng đứng nếu đủ lớn có thể gây hại cho đường truyền Tổng mất mát năng lượng phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúc anten và sóng đứng Để giảm thiểu mất mát, cần chọn đường truyền có tổn thất thấp và giảm trở kháng bức xạ của anten Phối hợp trở kháng giữa anten và đường truyền là cách hiệu quả để giảm sóng đứng và tối thiểu hóa khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền.
Một phương trình tương tự như hình 1.2 được áp dụng để mô tả hệ thống anten trong chế độ thu, trong đó nguồn được thay thế bằng một bộ thu Các thành phần khác của phương trình vẫn giữ nguyên tính tương đương Trở kháng phát xạ Rr được sử dụng để biểu thị khả năng thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tự do đến anten.
1.1.2 Các tham số cơ bản của anten o Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten
Khi năng lượng từ nguồn được truyền đến anten, hai trường được hình thành: trường cảm ứng và trường bức xạ Tại vị trí anten, cường độ của các trường này đạt mức cao và tỉ lệ thuận với lượng năng lượng cung cấp cho anten.
Hình 1.3 Các trường bức xạ [1]
Cả điện trường và từ trường phát ra từ anten tạo thành trường điện từ, cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ qua không gian Sóng vô tuyến, một dạng trường điện từ, di chuyển và mang theo năng lượng trải ra trên diện tích lớn hơn, dẫn đến sự giảm năng lượng trên một diện tích nhất định khi khoảng cách từ nguồn tới điểm khảo sát tăng lên.
Các tín hiệu vô tuyến phát ra từ anten tạo thành một trường điện từ với giản đồ xác định, phụ thuộc vào loại anten sử dụng Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hướng của anten, và hệ tọa độ thường được sử dụng để minh họa trường bức xạ.
Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1]
Giản đồ đẳng hướng và hướng tính Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hướng o Cường độ bức xạ
Cường độ bức xạ theo hướng xác định được định nghĩa là năng lượng phát ra từ anten trên một đơn vị góc đặc Để tính cường độ bức xạ, ta chỉ cần nhân mật độ bức xạ với bình phương khoảng cách.
Khi đó: U là cường độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc)
Wrad: là mật độ bức xạ (W/m2) o Hệ số định hướng
Hệ số định hướng của anten được xác định là tỷ lệ giữa cường độ bức xạ theo một hướng cụ thể và cường độ bức xạ trung bình trên tất cả các hướng Cường độ bức xạ trung bình được tính bằng tổng công suất bức xạ của anten chia cho 4π Khi hướng không được xác định, hướng của cường độ bức xạ cực đại sẽ được chọn làm tham chiếu Nói cách khác, hệ số định hướng của một nguồn bức xạ hướng tính là tỷ lệ giữa cường độ bức xạ theo hướng đã chọn (U) và cường độ bức xạ của một nguồn đẳng hướng (U0).
(1.2) Hướng bức xạ cực đại được biểu diễn như sau:
(1.3) Khi đó D: Là hướng bức xạ
D 0 : Là hướng bức xạ cực đại
U: Là cường độ bức xạ
U max : Là cường độ bức xạ cực đại
U 0 : Là cường độ bức xạ của nguồn đẳng hướng
P rad : Là tổng công suất bức xạ o Hệ số tăng ích
Hệ số tăng ích G là một đơn vị quan trọng để đánh giá hiệu suất của anten, có mối liên hệ chặt chẽ với hệ số định hướng Việc hiểu rõ hệ số này giúp tính toán hiệu suất hoạt động của anten một cách chính xác.
Hệ số tăng ích được tính bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực với mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng và khoảng cách giống nhau Giả định rằng công suất cung cấp cho cả hai anten là bằng nhau, trong đó anten chuẩn có hiệu suất là 1.
Trong khi các hệ số tăng ích riêng G θ và G φ đƣợc biểu diễn bởi:
Pin: Là tổng công suất đưa vào anten
U θ : Là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần truờng E θ
U φ : Là cường độ bức xạ theo một hướng cho trước chứa trong thành phần trường E φ
Công thức tương ứng được cho bởi:
G 0 (dB) = 10log 10 [e cd D 0 ] (1.6) o Băng thông
Băng thông của anten được định nghĩa là khoảng tần số mà hiệu suất của anten đạt tiêu chuẩn nhất định Nó được xem xét như một dải tần số xung quanh tần số trung tâm, trong đó các đặc tính của anten như trở kháng, giản đồ, độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ích, hướng chùm và hiệu suất bức xạ đều đạt giá trị chấp nhận được.
Băng thông của anten dải rộng được xác định bằng tỉ số giữa tần số cao nhất và tần số thấp nhất mà anten có thể hoạt động hiệu quả Chẳng hạn, một băng thông 10:1 cho thấy tần số cao hơn gấp 10 lần so với tần số thấp.
Anten dải hẹp có băng thông được xác định bởi tỉ lệ phần trăm của sự sai khác tần số so với tần số trung tâm Chẳng hạn, băng thông 5% cho thấy sự sai khác tần số là 5% so với tần số trung tâm của băng thông.
Trở kháng vào của anten được định nghĩa là tỉ số giữa điện áp và dòng điện tại điểm đầu vào, hoặc tỉ số giữa các thành phần tương ứng của điện trường và từ trường tại một điểm cụ thể Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào trở kháng vào tại đầu vào của anten, với tỉ số điện áp trên dòng điện ở đầu vào không có tải, từ đó xác định trở kháng của anten.
Trong đó: Z A : là trở kháng của anten ở các đầu vào (Ohm)
R A : là điện trở của anten ở các đầu vào (Ohm)
X A : là điện kháng của anten ở các đầu vào (Ohm) Điện trở anten có: R A = R r + RL (1.10)
Trong đó: R r : Là trở kháng bức xạ của anten
R L : Trở kháng mất mát của anten
Anten vi dải
Anten vi dải đơn giản nhất bao gồm một tấm kim loại mỏng, với độ dày nhỏ hơn nhiều so với bước sóng trong không gian tự do (λ0) Tấm kim loại này được đặt cách mặt đất một khoảng nhỏ (h), tạo ra cấu trúc hiệu quả cho việc phát và thu sóng.
Anten vi dải với patch được thiết kế để tối ưu hóa đồ thị bức xạ, thường nằm trong khoảng 0.003 λ0 < h < 0.05 λ0 Việc lựa chọn mode trường bức xạ phù hợp ở khu vực bên dưới patch là rất quan trọng để đạt được bức xạ cực đại Ngoài ra, bức xạ end-fire cũng có thể đạt được thông qua việc chọn mode hoạt động thích hợp Đối với patch hình chữ nhật, chiều dài của nó cũng cần được cân nhắc kỹ lưỡng.
L thường được sử dụng trong khoảng λ 0 /3 < L< λ 0 /2 Patch và mặt phẳng đất được tách biệt bởi một lớp điện môi nền nhƣ hình 1.5 w h x y z θ Φ (r,Φ,θ) h
Khe bức xạ #1 Khe bức xạ #2
Có nhiều loại điện môi nền với hằng số điện môi trong khoảng 2.2