CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYET GIẢI QUYẾT VAN DE 1. Ly thuyết chung về anten Antenna là một bộ chuyển đổi dòng điện di chuyển ở tần số cao thành sóng điện từ, hoặc ngược lại chuyển sóng điện từ thành dòng điện xoay chiều. Antenna có thể được dùng dé bức xạ năng lượng ra không gian, hoặc nhận năng lượng từ không gian. Antenna và đường dây dẫn (feeder) đóng vai trò thiết bị ghép giữa các mạch điện tử và không khí.
Cac antenna tiếp xúc trực tiếp với không gian bên ngoài con feeder (bộ phận cấp nguồn) là bộ phận giao tiếp giữa antenna với mạch điện tử. Ngõ vào của feeder phải phối hợp trở kháng với máy phát, còn antenna phát nhận năng lượng từ máy phát qua feeder và bức xạ ra không gian. như thé hiện trong hình 1.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [3] HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 2 CBHD: TS. Phan Hồng Phương Luận Văn Thạc Sĩ - Kỹ Thuật Điện Tử 1.2 Hệ phương trình Maxwell Lý thuyết anten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện động lực học: các phương trình Maxwell.
Trong phan này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là có thể biểu điễn qui luật sin, cos đưới dang phức đ ““ E =Re(EeTM) = E cos(ot) (1.1b) Các phương trình Maxwell ở dang vi phân được viết đưới dang: rotH = ioe ,E + J (1.2d) E là biên độ phức của vecto cường độ điện trường (V/m) H là biên độ phức của vecto cường độ từ trường (A/m) 8„= dụ : ¬ (1.3) (hệ số điện thẩm phức của môi trường) ¢ : hằng số điện môi tuyệt đối của môi trường (F/m) HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 3 CBHD: TS. Phan Hồng Phương Luận Văn Thạc Sĩ - Kỹ Thuật Điện Tử u : hệ số từ thâm của môi trường (H/m) ơ : điện dẫn xuất của môi trường (Si/m) —= x "Nn ^ Lá ° ^ ^ ` ` A J* là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện ( ——) m ø“ là mật độ khối của điện tích. (-<) m Biết rang nguôn tao ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhung trong một số trường hợp, đề dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích.
Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên. Hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết lại như sau: rotH =iwe ,E + J1 (1.4c) 8 divH = " (144) Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E, H. Trong phương trình nghiệm sé cho chung ta biết nguồn gốc sinh ra E, H va cách thức lan truyền. HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 4 CBHD: TS.
Phan Hồng Phương Luận Văn Thạc Sĩ - Kỹ Thuật Điện Tử 1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định. Để ví du ta xét một mach dao động thông số tập trung LC, có kích thước rat nhỏ so với bước sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên. Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phân tử của mạch.
Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong mét thé tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguôn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguôn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy.
Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đối lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ. Phan năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguôn gọi là năng lượng vô công. HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 5 CBHD: TS.
Phan Hồng Phương Luận Văn Thạc Sĩ - Kỹ Thuật Điện Tử 1.4 Các thông số cơ bản của anten Trong thực tê, một anten bat ky đêu có các thông sô về điện cơ bản sau đây: Trở kháng vào Hiệu suât Hệ số định hướng và độ tăng ích. Đồ thị phương hướng. Công suất bức xạ dang hướng tương đương. Tính phân cực Dai tân của anten.1 Trở kháng vào của anten Trở kháng vào của anten Z, bao gôm cả phan thực và phan kháng là tỷ số giữa điện áp U, đặt vào anten và dòng điện I, trong anten.
SUINGING wa Hình 1.2: Mạch tương đương cho hệ thống anten [3] HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 6 CBHD: TS. Phan Hồng Phương Luận Văn Thạc Sĩ - Kỹ Thuật Điện Tử U | Z,=-4=R, + 5X, (1.5) A Với Ra=R +R, Trở khang vào cua anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học cua anten va trong một số trường hop còn phụ thuộc vao vật đặt gần anten. Thành phần thực của trở kháng vào Ra được xác định bởi công suất đặt vào anten Pa và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten lạ, R.6) Thành phân kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thé có thê tính toán theo các biêu thức của đường dây truyện sóng. Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định, vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đâu ra may phát va đầu vào của anten.
Khi anten được kết nối với một đoạn cable, nếu trở kháng đầu vào của anten trùng khớp với trở kháng của radio và đường truyén thì tổng công suất được truyền từ radio đến anten là tối đa. Tuy nhiên, nếu trở kháng không giống nhau thì một ít năng lượng sẽ bi phản xạ ngược trở lại nguồn và số còn lại sẽ được truyền đi đến anten. Tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR = Voltage Standing Wave Ratio) mô tả sự phản xạ này. Nếu như không có phản xạ thì VSWR sẽ băng 1.
Khi VSWR tăng lên thì sự phản xạ sẽ càng nhiều. Nếu VSWR cao và công suất cao thì có thể gây ra tình huống nguy hiểm như khi ta sử dụng điện áp cao trong đường truyện, trong trường hop tôi tệ nhất, nó có thê băn ra tia lửa điện. Tuy nhiên, tình huông này sẽ không xảy ra nêu công suât sử HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 7 CBHD: TS. Phan Hồng Phuong Luận Văn Thạc Sĩ - Kỹ Thuật Điện Tử dụng thấp khi triển khai mạng WLAN.2 Hiệu suất của anten Anten được xem như là thiết bị chuyển đồi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất.
Hiệu suất của anten 7, chính là ty sỐ giữa công suât bức xạ Py„ và công suât may phat đưa vào Pa Pix Ns =—— P, 1.7) Hiệu suât của anten đặc trưng cho mức tôn hao công suât trong anten. Đôi với anten có tốn hao thì Pụ, < P,z¿ do đó n, <1. Gọi công suất ton hao là Pạ, đụ hy + Tuy (1.8) Đại lượng công suât bức xạ và công suat tôn hao được xác định bởi giá trị điện trở bức xa Ry, và Rạ vậy ta có: P, = T1.9) Từ biểu thức (1.7) ta viết lại thành: h R Na =—*—=_—* (1.10) hbx + Tụ Ry.3 Gian do bức xa và góc bức xa của anten Gian đồ bức xa của anten được định nghĩa “là một hàm toán học hay sự thé hiện đồ bang đồ thị các đặc tinh bức xa của anten và là ham của các tọa độ không gian”. Khi xét giản đồ bức xạ bao gôm ba trường hợp là trường gan tác động trở lại, trường bức xa HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 8 CBHD: TS.
Phan Hồng Phuong Luận Văn Thạc Sĩ - Kỹ Thuật Điện Tử gan va trường xa như hình 1.3: Các vùng trường của một anten [3] e Trường gan bức xạ trở lại: là phần không gian gan trường gan trực tiếp bao quanh anten. Biên của trường nay được tính tại khoảng cach R<0.62¥ D* +/ tính từ mặt phẳng anten, với A là bước sóng và D là đường kính lớn nhất của anten. e Truong gan bức xạ: là phan không gian năm giữa trường gân tác động trở lại và trường xa. Biên trong của trường này được tính R>0.62V¥ D* +A và biên ngoài R<2ĐÝ +4 e Trường xa: tôn tại ở khoảng cách R>2D? +A và biên ngoài ở vô cực.
Trong vùng trường xa, dạng đồ thị bức xạ hầu như không thay đồi khi dịch chuyển diém quan sát ra xa dân. Trong hau hết trường hợp ta chỉ xét giản đồ bức xạ ở trường xa. Đặc tính bức xa HVTH: Nguyễn Vĩnh Thành 9 CBHD: TS. Phan Hồng Phuong Luận Văn Thạc Sĩ - Kỹ Thuật Điện Tử là sự phân bố năng lượng bức xa trong không gian hai chiều hoặc ba chiều, sự phân bồ đó là hàm của vi tri quan sat dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kính không đổi.
Hệ tọa độ thường được sử dụng dé thé hiện trường bức xạ trong hình 1.4: Hệ thống tọa độ để phan tính đặc tính bức xạ của anten [3]. Trong thực tế, ta có thể biểu diễn đơn giản bằng biểu đồ 2D. Thông thường chỉ quan tâm giản đô là hàm của một biến @ hoặc 6 với vài giá trị đặc biệt của biến còn lại là đủ để đưa hầu hết các thông tin cần thiết về đặc tính bức xa của anten. Giản đồ hướng tính: Hướng tính của anten mô tả cường độ của một bức xạ theo một hướng xác định tương ứng với cường độ bức xạ trung bình hay nói cách khác, nó cho biết mật độ công suất bức xạ tương ứng với công suất bức xạ được phân tán một cách đồng dạng.
Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi dé thị phương hướng của anten.