Anten và truyền sóng P1

Nội dung Độ rộng nửa công suất, độ rộng giữa các bức xạ không đầu tiên  Hiệu suất búp sóng beam efficiency  Băng thông bandwidth  Phân cực  Trở kháng ngỏ vào  Hiệu suất bức xạ ante

Anten-Truyền sóng

Các thông số cơ bản của anten

(phần 3)

Nội dung

 Độ rộng nửa công suất, độ rộng giữa các bức xạ không đầu tiên

 Hiệu suất búp sóng (beam efficiency)

 Băng thông (bandwidth)

 Phân cực

 Trở kháng ngỏ vào

 Hiệu suất bức xạ anten

2.9 Độ rộng nửa công suất, độ rộng giữa các bức xạ không đầu tiên

 Độ rộng nửa công suất

 Ký hiệu: HPBW (Half-Power

Beamwidth).

 Định nghĩa: là góc giữa 2 hướng

có cường độ bức xạ bằng ½ giá trị cực đại trong mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của búp sóng (cường độ bức xạ ở 2 hướng này giảm 3dB so với hướng cực đại).

 Khái niệm độ rộng búp sóng

(beamwidth): là góc hợp bởi 2 hướng có cường độ giảm 10dB

so với giá trị cực đại

Độ rộng nửa công suất, độ rộng giữa các bức xạ không đầu tiên

Thông thường: FNBW ≈ 2* HPBW

2.11 Hiệu suất búp sóng (beam efficiency): BE

Định nghĩa: Cho một anten có búp sóng chính hướng trục z

( θ =0), BE là tỉ số giữa công suất phát (hoặc nhận) trong góc nón

θ1 và công suất phát hoặc nhận của anten

θ1 thường được chọn là góc mà tại đó xảy ra giá trị 0 hoặc cực tiểu đầu tiên.

Sử dụng: * BE biểu thị lượng công suất trong búp sóng chính so với

công suất tổng

* BE được dùng để đánh giá chất lượng anten sử dụng

trong đo đạc bằng sóng vô tuyến (radiometry), vũ trụ, radar và

những ứng dụng mà tín hiệu thu từ búp phụ phải được giảm thiểu

2.12 Băng thông (Bandwidth)

(hoặc vài) đặc tính của anten thỏa mãn một

tiêu chuẩn xác định.

 Các đặc tính như là: trở kháng ngỏ vào, đồ thị bức xạ,

phân cực, mức bức xạ phụ, hướng búp chính, hiệu suất…) phải được thỏa mãn tại tần số trung tâm

Băng thông (Bandwidth)

Băng thông (Bandwidth): ví dụ anten Line-Fed Shorted Patch (1)

Microstrip-Băng thông (Bandwidth): ví dụ anten Microstrip-Line-Fed Shorted Patch (2)

Đồ thị bức xạ:

 Phân cực của anten

theo 1 hướng cho trước

vẽ của đầu mút vector E

theo thời gian

2.13 Phân cực (Polarization)

Phân cực sóng: Công thức chung

Lần lượt là giá trị lớn nhất theo phương x và y

Phân cực sóng: Linear, Circle, Ellip

Tuyến tính

(linear)

Tròn (circle)

Phân cực tròn Trái

Phân cực tròn Phải

Ellip

Cách xác định phân cực, hệ qui chiếu (1)

Phân cực: hệ số tổn hao do mất phối hợp phân cực PLF (Polarization Loss Factor)

Thực tế, phân cực của anten thu sẽ không bao giờ giống

phân cực của sóng tới, xem như là mất phối hợp phân cực (polarization mismatch) Do vậy, lượng công suất phục hồi từ anten không cho được gía trị lớn nhất, vì do mất phối hợp

phân cực Giả sử trường điện của sóng tới là Ei, và phân cực trường điện của anten thu là Ea Ta có, PLF tính như sau:

Vector đơn vị phân cực của anten thu

Vector đơn vị phân cực của sóng tới

Phân cực: hệ số tổn hao do mất phối hợp phân cực PLF (Polarization Loss Factor)

Cách khác để mô tả mất phối hợp phân cực giữa sóng tới và anten là đánh giá thông qua hiệu suất phân cực (polarization efficiency)

2.14 Trở kháng ngỏ vào (input impedance), chế

độ phát

Trở kháng ngỏ vào: anten chế độ phát

Biên độ dòng nguồn:

Công suất bức xạ

của anten:

Công suất tiêu tán

nhiệt trên anten:

Công suất nguồn cung

cấp:

Trở kháng ngỏ vào (input impedance), chế độ thu

Công suất thu được (collected or captured power):

Công suất tán xạ (scattered or re-radiated power):

Công suất tiêu tán do nhiệt:

Công suất cấp cho tải máy thu:

Ở DC hay tần số thấp, điện trở tiêu tán của dây dài ℓ và tiết diện A là:

Tần số cao hf (high frequency), điện trở tiêu tán của dây tròn dài ℓ và bán kính b

là:

điện dẫn của dây

VớiVới

Độ từ thẩm của không gian tự do

Chiều sâu da (skin depth)

2.15 Hiệu suất bức xạ của anten (Antenna Radiation Efficiency)

2.16 Độ dài hiệu dụng của vector anten và vùng

tương đương (Effective Length, Equivalent Areas)

Độ cao hiệu dụng (effective height) or chiều dài hiệu dụng: tùy thuộc vào Trường vùng xa Ea (far zone); Dòng điện đầu cuối

Độ dài hiệu dụng của vector anten hay chiều cao hiệu dụng là tham số dùng để tính toán điện áp tại đầu cuối hở mạch anten, nếu có một sóng tác động lên anten đó

Effective Length

≈ Effective Height

Vùng tương đương anten( Antenna Equivalent Areas);

Độ mở hiệu dụng Anten (Antenna Effective Aperture)

Mỗi anten, ta có thể kết hợp tới một số các vùng tương đương của anten

(Equivalent Areas) để mô tả đặc tính thu công suất của anten khi có sóng điện từ tác động lên nó Một trong các vùng tương đương này là diện tích hiệu dụng anten ( Effective Areas ) hay còn gọi là độ mở hiệu dụng của

anten (Effective Aperture)

Diện tích hiệu dụng anten (Effective Areas), còn gọi là độ mở hiệu dụng của aten

(Effective Aperture), được hiểu là tỷ số giữa: công suất thu được tại đầu cuối của anten thu với mật độ công suất sóng tới đến anten đó xét trong cùng một hướng và sóng phải được phân cực phối hợp với anten Nếu không xác định được hướng thì hướng có cường độ bức xạ lớn nhất được sử dụng để tính toán

Effective Areas ≈ Effective Aperture là một trong các thông số của Equivalent

Areas Thông thường khảo sát Equivalent Areas thì ta khảo sát Efffective Areas (Effective Aperture); Scattering Area; Loss Area; Capture area

Effective Areas ≈ Effective Aperture; Scattering Area; Loss Area; Capture area

Equivalent Areas (Vùng tương đương anten)

Vùng tương đương anten( Equivalent Areas); độ mở hiệu dụng Anten (Effective Aperture)(tt)

Góc mở hiệu dụng của Anten là vùng khi nhân với mật độ công suất sóng tới sẽ

bằng với công suất phát tới tải PT

Trong điều kiện có phối hợp trở kháng để truyền đi công suất cực đại thì:

và

Độ mở hiệu

dụng lớn nhất

Diện tích tán xạ (scattering areas); Diện tích suy hao (Loss areas); Diện tích thu (capture areas) của anten

Vùng tán xạ As xem như khi đem nhân vùng này với mật độ công suất sóng tới Pi thì bằng với công suất tán xạ:

Vùng suy hao AL là vùng xem như khi đem nhân với mật độ công suất sóng tới thì bằng với công suất tiêu tán do nhiệt trên điện trở RL

Vùng thu AC là vùng được xem như khi đem nhân vùng này với mật độ công suất sóng tới thì bằng với công suất sóng thu được tại anten

Hiệu suất độ mở của anten (Aperture efficiency)

Vì Nên, 0 ≤ ≤ 1

Anten phát và thu có các độ mở hiệu dụng và hệ số hướng tính là:

Atm, Dt; Arm, Dr

2.17 Hướng tính cực đại và Vùng hiệu dụng cực đại

(Max directivity and Max Effective Area)

Hướng Tính cực đại và Diện tích hiệu dụng cực đại(tt)

Giả sử anten bức xạ vô hướng, thì mật độ công suất bức xạ tại điểm có khoảng cách R:

Tổng công suất bức xạ

Tổng mật độ công

suất bức xạ

Công suất thu

được tại anten và

được đưa tới tải

Nếu anten 2

phát và anten 1

thu

Hướng tính cực đại và diện tích hiệu dụng cực đại (tt)

Với Lần lượt là diện tích hiệu dụng cực đại và hướng

tính cực đại của anten 1 và 2

Nếu anten 1 là vô hướng, Dot = 1, thì diện tích hiệu dụng lớn nhất

Diện tích hiệu dụng lớn nhất của anten vô

hướng:

Tổng quát: Độ mở hiệu dụng lớn nhất

của bất kỳ một anten Aemthì liên quan

tới định hướng lớn nhất Do của nó:

Hướng tính cực đại và diện tích hiệu dụng cực đại (tt)

Nếu kể đến: Hiệu suất bức xạ ( ecd: Radiation Efficiency); Hiệu suất phản xạ er (Reflection Efficiency); Và giả sử Hiệu suất phân cực (Polarization Efficiency) là lớn nhất (nghĩa là hệ số phân cực PLF =1 ) thì Aem được tính như sau:

2.18 Công thức truyền dẫn FRIIS và Công thức cho RADAR

Công thức truyền dẫn Feriis: Liên quan đến công suất phát và thu của

Anten khi hai anten cách nhau một khoảng cách R > 2D2λ Với D kích

thước lớn nhất của anten

Mô hình phát và thu của anten

Công thức truyền dẫn FRIIS

Công suất vào tại đầu cuối của Anten phát là Pt Giả sử tương đương nguồn phát

vô hướng, thì mật độ công suất vô hướng Wo tại điểm cách khoảng R là:

Hiệu suất bức xạ của anten phát

Nếu anten phát không phải là vô hướng (NonIsotropic), thì mật độ công suất theo hướng Độ lợi anten phát theo hướng θ

t, Φt

Hướng tính anten phát theo θt, Φt

Diện tích hiệu dụng (Ar) của anten thu là

Hiệu suất của anten thu

Hướng tính anten thu theo θr, Φr

Công thức truyền dẫn FRIIS

Công suất thu được từ anten thu là

Tỷ số giữa công suất thu được Pr trên công suất đầu vào (chính là công

suất phát Pt của anten phát)

Hiệu suất bức xạ tại đầu phát và thu

Công thức truyền dẫn FRIIS

Nếu Anten có phối hợp phân cực và phản xạ để đạt bức xạ hướng tính lớn nhất ta có tỷ số Pr/ Pt như sau:

Hệ số Suy hao không gian tự do (Free

space Loss Factor)

Công thức truyền sóng cho RADAR

Xét mô hình truyền sóng

Giả sử công suất sóng tới đến điểm đích σ (target) và

bị tán xạ nên dội lại về anten thu Mật độ công suất của anten thu bây giờ bằng với mật

độ tán xạ từ điểm đích σ tới anten thu

Công thức truyền sóng cho RADAR (tt)

Mật độ công suất sóng tán xạ tới anten thu

Mật độ công suất sóng tán xạ

Mật độ công suất sóng tới

Công thức truyền sóng cho RADAR (tt)

Lượng công suất sóng tới điểm (σ) Pc sẽ bằng mật độ sóng tới Wt nhân với hệ số phân đoạn RADAR (σ)

Công suất tới điểm đích σ (Pc) sẽ bị tán xạ vô hướng tới anten thu Mật độ

công suất tán xạ Ws là:

Lượng công suất tới tải thu (anten thu)

Diện tích hiệu dụng (Effective area) của anten thu

Công thức truyền sóng cho RADAR (tt)