Anten và truyền sóng pot

Anten có thể ñược xem như thiết bị dùng ñể truyền năng lượng trường ñiện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào như cáp ñồng, ống dẫn sóng h

ThS Phạm Minh Nam

2

Tài liệu tham khảo

Lê Tiến Thường-Trần Văn Sư ,Truyền sóng và

Anten, NXB ðại học Quốc Gia TPHCM –2010

Constantine A.Balanis, Antenna theory analysis

and design, John Wiley & Son.Inc.,1997

David M Pozar, Microwave Engineering, John

Wiley & Son.Inc, 1998

Phần 1

 Chương 1: Lịch sử phát triển anten

 Chương 2: Mô tả các ñặc tính bức xạ của anten

 Chương 3: Lí thuyết anten

 Chương 4: Hệ thống bức xạ

 Chương 5: Các loại anten

Phần 2

 Chương 1: Truyền sóng vô tuyến

 Chương 2: Truyền sóng ñường dây dẫn

ThS Phạm Minh Nam

6

Lịch sử phát triển Anten

Anten là hệ thống cho phép truyền và nhận

năng lượng trường ñiện từ

Anten có thể ñược xem như thiết bị dùng ñể

truyền năng lượng trường ñiện từ giữa máy

phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương

tiện truyền dẫn tập trung nào như cáp ñồng,

ống dẫn sóng hoặc sợi quang…

Anten ñược ưa chuộng trong việc chuyển tải

các trường ñiện từ ở tần số cao

Các sóng trường ñiện từ chi phối hoạt ñộng của

Anten ñược diễn tả bởi hệ phương trình Maxwell

(1876)

Hệ phương trình Maxwell ñã thống nhất các ñịnh luật

trước ñó như Ampere, Faraday…

1886: Heinrich Hertz kiểm chứng ñược sự tồn tại

sóng ñiện từ

1897: Alexander Popov phát triển tuyến Anten thật

ñầu tiên có khả năng truyền xa 3 dặm

Lịch sử phát triển Anten

1901: Guglielmo Marconi ñã hiện thực ñược thông tin

vô tuyến xuyên ðại Tây Dương

1916: Lần ñầu tiên sử dụng ñiều biên ñể truyền tín

hiệu tiếng nói

1934: Tạo ra hệ thống vô tuyến thương mại ñầu tiên

giữa Anh và Pháp hoạt ñộng ở 1.8G

1940-1945: Phát triển Anten dùng trong radar, Anten

phản xạ, Anten thấu kính, Anten dãy…

ThS Phạm Minh Nam

10

Trở kháng vào của Anten

Xem Anten như mạng một cửa

Trở kháng vào của Anten

Gọi PA là công suất hấp thụ tại ñầu vào Anten VA

và IA là ñiện áp và dòng ñiện tại ñầu vào Anten

{ }*

Re 2

1

A A

P =

S A

A S

A

Z Z

Z V

V

+

=

S A

S A

Z Z

V I

+

=

2 2

2 s A

A S A

Z Z

R V P

+

=

Trở kháng vào của Anten

Nếu không thoả ZA = ZS thì chỉ có một phần công

suất của nguồn ñến ñược anten:

2 2

g A

|

| 1

| Z Z

|

R R 4

V P

Trở kháng vào Anten

Các phương trình trên cho phép ñánh giá công suất

PA (công suất hấp thụ bởi Anten) với PS trong ñó

quan tâm ñến hệ số q là hệ số ghép công suất giữa

máy phát và tải

Khi ZS là thuần trở (XS = 0)

2

1

S A

S AZ Z

Z Z

+

−

= ΓS

A qP

P =

14

Hiệu suất Anten

Gọi PA là tổng công suất do nguồn cung cấp ñến

Anten, Pr là công suất bức xạ, PL là công suất tiêu

hao do toả nhiệt (PA = Pr + PL)

Hiệu suất bức xạ của Anten là tỉ số giữa công suất

bức xạ và công suất nhận ñược tại ngõ vào Anten

L r

r A

r

P P

P P

P e

Hiệu suất Anten

Điện trở bức xạ Rr thể hiện phần công suất có ích được

bức xạ bởi anten Đây là điện trở tương đương tiêu thụ

lượng công suất bằng công suất bức xạ Pr

Điện trở tiêu hao RL thể hiện phần công suất tiêu tán bởi

anten dưới dạng nhiệt do vật liệu làm nên anten.

Nếu anten không tiêu tán thì RL = 0 Hiệu suất anten thể

hiện phần công suất bức xạ trên Rr so với công suất trên

toàn RA.

L r

r A

r

RR

RP

Pe

+

=

=

Trường điện từ bức xạ tạo bởi Anten

Xét trường bức xạ trong hệ toạ độ cầu

Trường điện từ bức xạ vùng xa tạo bởi Anten

Trường ñiện ở vùng xa Anten có thể biểu diễn

Trong ñó

là ñộ thẩm từ và ñiện trong KGTD

r là khoảng cách từ Anten ñến ñiểm khảo sát

D là ñường kính hình cầu ngoại tiếp Anten

ðiều kiện vùng xa: r>>D, r>>λ, r>>

( θ θ ϕ ϕ)

−

ϕ θ + ϕ θ

r

e ) ( E

r r

λ

π 2D

λ π

= µ ε ω

 Trường ñiện suy hao theo 1/r vì sự mở rộng

hình cầu của sóng (hình cầu khảo sát)

 Trường ñiện chỉ có các thành phần vuông

góc với chiều truyền sóng và

 Cường ñộ của trường theo và phụ

thuộc vào hướng bức xạ và ñược xác ñịnh

r

ir

Trường điện từ bức xạ tạo bởi Anten

Trường từ ở vùng xa Anten có thể biểu diễn

là trở sóng của môi trường Trong không khí

ðiều kiện vùng xa: r>>D, r>>λ, r>>

( θ θ ϕ θ ϕ θ ϕ ϕ)

η r F i F i

e r

H

rr

),()

,(

1)

−

λ

π 2D

π ε

µ η

r r r

 Giống như sóng phẳng, cả trường ñiện và

trường từ ở vùng xa Anten ñều vuông góc

với phương truyền sóng và vuông góc với

nhau

r

ir

Cường độ, công suất trường điện từ

Vector Poynting trung bình, tức mật ñộ dòng công

suất của trường bức xạ [W/m2]

 Công suất chảy theo chiều trục xa dần Anten

 Mật ñộ bức xạ suy giảm theo bình phương khoảng cách

r

*

i ) , ( F )

, ( F r

H E Re )

22

2

2 1 2 1

22

Cường độ, công suất trường điện từ

ðịnh nghĩa cường ñộ bức xạ [W/SteRadian]

=> Cường ñộ bức xạ không phụ thuộc vào r

=

= ϕ

2

1 F ( , ) F ( , ) )

( W r )

θ d d

d Ω = sin

Ví dụ 1

Một Anten bức xạ một trường ñược cho bởi

, giả sử hiệu suất Anten là 25%, dòng ngõ vào Anten là 1A

a) Vector mật ñộ bức xạ

b) Mật ñộ bức xạ

c) Cường ñộ bức xạ

d) Tổng công suất ñược bức xạ bởi Anten

e) ðiện trở Rr của Anten

θ ϕ

θ

θ( , ) = sin

F

F F

r i

W

r r

r

r

sin 2

1

) , ( )

, (

2

1 )

η ϕ

θ ϕ

W

r r

r

sin 240

1 )

W

r r

r

sin

240

1 )

π

=

θ π

ϕ

sin 240

1 )

( )

, ( = r W ir =

U

r

π ϕ

θ θ π

π π

π

d d

240

2

sin 240

1

0

3 0

3 2

π ϕ

θ θ θ

1

sin sin 240

] [ 90

1 3

4 240

Ví dụ 1

e) ðiện trở Rr của Anten

f) ðiện trở RL của Anten

25 0

= +

=

=

L r

r

A

r

R R

R P

P e

] [ 45

1

I P R

Ví dụ 1

g) ðiện trở RA của Anten

h) Cơng suất tại ngõ vào của Anten

] [

45 4 Ω

= +

= r L

R

] [

90 4 Ω

= +

Là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vetor trường

khi được quan sát dọc theo chiều truyền sĩng

Ví dụ: theo hướng đang quan sát trên hình vẽ là phân cực tuyến tính

ðối với phân cực tròn hay Elip còn phân biệt

quay theo chiều kim ñồng hồ (tay phải) hay

ngược chiều kim ñồng hồ (tay trái)

Sự phân cực – Ví dụ

Ví dụ: Trường ñiện từ ở vùng xa ñược bức xạ

bởi anten như sau:

Xác ñịnh sự phân cực của Anten dọc theo

r r

sin cos sin )

ϕ θ

( z y)

jkx

i j i x

e

r

E

r r r

r

)

r

r r

r

) (

) 2 / cos(

) (

) cos(

x

kx t t

r

E

r r

jkr

i j i r

Re

x

e i

jkr j

y t j jkr

Sự phân cực – Ví dụ

Các thành phần trường theo z, y bằng nhau và

lệch pha nhau 900 => Dấu vết của ñỉnh vector

trường tổng hợp là hằng số theo thời gian

=> Trường ñược phân cực tròn

Nếu nhìn theo chiều truyền sóng thì sóng ñược

phân cực tròn tay trái

) (

) 2 / cos(

) (

) cos(

x

kx t t

r

E

r r

π

y r i i

i

i = − z, = − x, =

r r

r

r

ϕ θ

x

jky

i y

e j r

r

)

ky t t

r

r

) 2 / cos(

) ,

=

Chỉ có thành phần trường ñiện theo phương x

=> Trường ñược phân cực tuyến tính dọc theo

ðồ thị bức xạ có thể bao gồm các thông tin về

phân bố năng lượng, pha, sự phân cực trong

các trường bức xạ

Thông thường quan tâm nhất là vẽ phân bố

năng lượng tương ñối trên hình cầu bao

quanh Anten và sẽ ñược tham khảo như ñồ thị

công suất

Đồ thị bức xạ

),(θ ϕ

U

Khi vẽ ñồ thị bức xạ, thường so sánh chất lượng

Anten theo các chiều khác nhau, do ñó người ta

thường chuẩn hoá giá trị tối ña của hàm ñược vẽ là

ñơn vị ðồ thị bức xạ bây giờ thành ñồ thị chuẩn hoá

Cường ñộ bức xạ chuẩn hoá và hàm ñộ lớn của trường

như sau

max

),(),(

Góc nữa công suất và góc bức xạ không đầu tiên

Góc nữa công suất (Half Power Beam Width - ñộ rộng

nữa công suất) và góc bức xạ không ñầu tiên (Beam

Width between First Nulls - ñộ rộng giữa các giá trị

không ñầu tiên) là ñặc tính bức xạ của Anten ñặc trưng

cho diện tích mặt cắt hai chiều của một chùm tia Anten

chính trong mặt phẳng cho trước.

Góc nữa công suất

HPBW là số ño của góc

bao quanh hướng bức

xạ cực ñại với cường ñộ

Góc khối của Anten

Góc khối của Anten

(ABSA) là góc khối của

chùm tia chính của một

Anten giả thuyết với ñiều

kiện là bức xạ cùng công

suất với Anten ñang

khảo sát nhưng với một

cường ñộ bức xạ là hằng

số bằng với cường ñộ

bức xạ cực ñại Umaxcủa

Anten ñang khảo sát

( ) ( ) ( )

2

0 0

4 max

, sin

, ,

= r sin d d

dA 2

Hệ số hướng tính là tiêu chuẩn chất lượng

ñể ño các tính chất ñịnh hướng của Anten khi so

sánh với các Anten vô hướng

Độ lợi hướng tính và hệ số định hướng

Hệ số ñịnh hướng

∫∫

π

Ωϕθπ

=4

a U( , )d4

1U

) , ( θ ϕ

ϕθπϕ

θϕ

θϕ

θ

0 2

0

sin),(

),(.4)

,(),(),

(

d d U

U U

U W

W D

a a

Ω

π

=ϕθ

θ ϕ

sin5),

U

θθ

θπ

θπ

ϕθθθ

θπ

ϕ

0 3 2

0 2 2

0

2

sin23.sin2.5

sin.5.4

.sin.sin5

sin.5.4)

D

ðộ lợi hướng tính

Ví dụ: Một cường ñộ bức xạ Anten cho bởi

 ðộ lợi ñịnh hướng D là cực ñại của

Độ lợi Anten

ðộ lợi Anten ñược ñịnh nghĩa

ðộ lợi công suất (là ñộ lớn cực ñại của ñộ lợi

Anten)

) , ( eD P

) , ( U 4 ) , ( G

A

ϕ θ

= ϕ θ π

= ϕ θ

A

max max

P

) , ( U 4 )

, ( G

= ϕ θ

=

Độ lợi Anten

Công suất bức xạ ñẳng hướng tương ñương

EIRP là tổng công suất mà nó ñược bức xạ bởi

Anten vô hướng , cường ñộ bức xạ bằng cường

ñộ bức xạ cực ñại của Anten ñang khảo sát

] [ )

, (

4 U max GP eDP DP W

EIRP = π θ ϕ = A = A = rad

Mức bức xạ phụ và tỉ số trước sau

Mức bức xạ phụ SSL (Side Lobe Level) là tỉ số của cường

độ bức xạ theo chiều bức xạ phụ lớn nhất (thường là bức

xạ phụ đầu tiên sát bức xạ chính) với cường độ bức xạ

cực đại

max

SLL),(U

),(USLL

ϕθ

ϕθ

=

lại ngược chiều

max),(U

),(UFBR

ϕθ

ϕθ

=

FBR (Front to Back Ratio) là tỉ số của cường độ bức xạ

theo chiều bức xạ cực đại và cường độ bức xạ theo

chiều ngược lại.

54

Các Anten thu

Giả sử một Anten thu được kích thích bởi sĩng phẳng

đến cĩ gĩc tới và được đặc tính bởi trường điện E

tại đầu vào Anten

) , ( θ ϕ

inc E

Các Anten thu

Nếu phối hợp liên hợp ZA = ZL:

Pclà công suất khả dụng phía thu

Nếu không phối hợp liên hợp ZA* # ZL:

=

A L

L A

Z Z

R R q

A

c c

R

V P

Diện tích hiệu dụng của Anten

Công suất Pc bằng mật ñộ công suất S của sóng

tới nhân cho diện tích hiệu dụng Ae

 S inc là mật ñộ công suất trung bình trong mặt phẳng tới

 là vector phân cực liên quan ñến sóng tới

inc inc

r

=

Các Anten thu

Diện tích hiệu dụng của Anten

 là vector phân cực của Anten thu theo

chiều ñến của sóng tác ñộng

2

ˆ ).

, ( ).

, ( 4 ) ˆ , ,

) ,

• Khi một Anten không thể bức xạ ở một phân cực nào ñó

theo chiều cho trước thì nó cũng không thể nhận phân

cực từ chiều ñó.

G

=

• ðộ lợi của bộ thu theo chiều ñến của mặt phẳng tới (Khi một

Anten phát không hiệu quả theo chiều cho trước thì nó cũng

là bộ thu không hiệu quả ñối với sóng tác ñộng lên Anten từ

hướng ñó)

• Giá trị cực ñại của Aetrên tất cả các chiều và các phân cực

ñược xem như diện tích hiệu dụng tối ña, ký hiệu Aem

• Aecó thức nguyên m 2

Diện tích hiệu dụng của Anten ñối với một chiều cho trước

thì tỉ lệ với:

Tuyến Anten

Thường được sử dụng khi cần thiết kế một tuyến

thông tin

Thể hiện mối liên quan giữa công suất anten phát

và anten thu đặt cách nhau một khoảng trong không

gian.

Tuyến Anten

 Pt = PRad Công suất anten phát

 Gt Độ lợi công suất anten phát

 Dt Độ lợi định hướng anten phát

 et hiệu suất anten phát

 Γt Hệ số phản xạ anten phát

Tuyến Anten

o Pr = PRad Công suất anten thu

o Gr Độ lợi công suất anten thu

o Dr Độ lợi định hướng anten thu

o nr Hiệu suất anten thu

o Γr Hệ số phản xạ anten thu

62

Tuyến Anten

Giả sử anten phát đẳng hướng Mật độ dòng công

suất tại điểm cách anten phát một khoảng R là:

Trong trường hợp anten phát không đẳng hướng:

etlà hiệu suất anten phát.

2 0

4 R

Pe

tπ

= Pt = PRad

2 2

4

) , ( D P e R

) , ( G P

Wt t t t t t t t t t

π

ϕ θ

= π

ϕ θ

=

=

4

2),(De

r t t

r

π

ϕθϕθλ

=

(CÔNG TH (CÔNG THỨ Ứ ỨC FRIIS ) C FRIIS )

Vậy tỉ lệ công suất thu và công suất phát là:

Công suất anten thu thu được là:

Tuyến Anten

Nếu các anten được phối hợp trở kháng, hướng vào

nhau và phân cực phù hợp thì D = Gmax= G0:

orotr

tt

R e

e P

Nếu các anten được phối hợp trở kháng, không tổn

hao, hướng vào nhau và phân cực phù hợp thì: