Giáo trình Anten và Truyền Sóng - Tài liệu ĐH Bách Khoa & ĐH Công nghiệp

Chuyên khảo phân tích Giao trinh anten truyen song, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Giao Trình Anten Truyền Sóng
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Tài liệu tham khảo
• 1. Chương 1: Antennas
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Các kiểu anten
• 1.2.1. Antenna dây
• 1.2.2. Antenna mặt
• 1.2.3. Antenna vi dải (microstrip)
• 1.2.4. Antenna dãy (array)
• 1.2.5. Antenna phản xạ
• 1.2.6. Antenna thấu kính (lens)
• 1.3. Cơ chế bức xạ
• 1.3.1. Bức xạ từ 1 dây sóng đơn
• 1.3.2. Bức xạ từ 2 dây dẫn
• 1.3.3. Bức xạ từ dipole
• 1.4. Phân bố dòng điện trên antenna dây mỏng
• 1.6. Mô tả các đặc tính của anten
• 1.6.1. Trở kháng vào của anten
• 1.6.2. Hiệu suất anten
• 1.6.3. Trường điện từ được tạo bởi anten
• 1.6.4. Công suất trường điện từ
• 1.6.5. Sự phân cực
• 1.6.6. Đồ thị bức xạ
• 1.6.7. Độ rộng nửa công suất và độ rộng giữa các giá trị không đầu tiên
• 1.6.10. Độ lợi anten và EIRP
• 1.6.11. Mức bức xạ phụ của anten và tỷ số trước sau
• 7. Chương 7: Lý thuyết Anten
• 7.1. Phương trình Maxwell
• 7.5. Các đặc tính bức xạ của dipole Hertz
• 7.6. Anten dipole ngắn

Tóm tắt

I. Hướng dẫn toàn diện giáo trình anten truyền sóng cho kỹ sư

Giáo trình anten truyền sóng là tài liệu nền tảng cho ngành kỹ thuật điện tử - viễn thông. Nội dung này cung cấp một cái nhìn tổng quan, bắt đầu từ những khái niệm cơ bản nhất về anten và vai trò của chúng trong các hệ thống viễn thông hiện đại. Anten không chỉ là một thanh kim loại, mà là một thiết bị chuyển đổi năng lượng tinh vi, biến đổi sóng điện từ trong không gian tự do thành tín hiệu được dẫn trên đường truyền sóng (transmission line) và ngược lại. Việc nắm vững kiến thức từ giáo trình này là yêu cầu bắt buộc để thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống truyền thông không dây. Bài viết sẽ đi sâu vào các khái niệm cốt lõi như lý thuyết trường điện từ, cơ chế bức xạ, và cấu trúc của một giáo trình anten chuẩn, giúp người đọc xây dựng một nền tảng kiến thức vững chắc.

1.1. Vai trò của anten trong hệ thống thông tin vô tuyến

Anten đóng vai trò là cầu nối không thể thiếu giữa thế giới hữu tuyến và vô tuyến. Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, anten là thành phần cuối cùng ở phía phát và là thành phần đầu tiên ở phía thu. Chức năng chính của nó là bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ. Ở phía phát, anten nhận năng lượng từ bộ phát qua một đường truyền và bức xạ năng lượng đó ra không gian dưới dạng sóng điện từ. Ngược lại, ở phía thu, anten thu nhận năng lượng từ sóng điện từ trong không gian và chuyển đổi thành tín hiệu điện để đưa vào bộ thu. Hiệu quả của toàn bộ hệ thống phụ thuộc rất lớn vào thiết kế và đặc tính của anten, do đó, việc hiểu rõ vai trò này là bước đầu tiên trong bất kỳ giáo trình anten truyền sóng nào.

1.2. Sóng điện từ và lý thuyết trường điện từ cơ bản

Lý thuyết trường điện từ là cơ sở toán học và vật lý của toàn bộ lĩnh vực anten và truyền sóng. Nó mô tả cách các trường điện và trường từ tương tác với nhau và lan truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ. Các phương trình của Maxwell là trọng tâm của lý thuyết này, giải thích mọi hiện tượng từ bức xạ đến lan truyền. Một sóng điện từ bao gồm các thành phần điện trường (E) và từ trường (H) dao động vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Việc hiểu rõ bản chất của sóng điện từ, bao gồm các tham số như tần số, bước sóng, và biên độ, là kiến thức tiên quyết để phân tích và thiết kế anten hiệu quả.

1.3. Cấu trúc và mục tiêu của một giáo trình anten chuẩn

Một giáo trình anten truyền sóng tiêu chuẩn thường được cấu trúc một cách logic để dẫn dắt người học từ cơ bản đến nâng cao. Nó bắt đầu với lý thuyết trường điện từ và phương trình Maxwell, sau đó chuyển sang cơ chế bức xạ của các cấu trúc đơn giản như dipole. Tiếp theo, giáo trình sẽ giới thiệu các tham số quan trọng để đặc tả một anten như trở kháng vào (input impedance), giản đồ bức xạ, độ lợi anten (gain) và phân cực sóng. Các chương sau đó sẽ đi sâu vào phân tích các loại anten cụ thể như anten Dipole, anten Yagi-Uda, và anten Parabol. Cuối cùng, giáo trình đề cập đến các vấn đề về truyền sóng trong các môi trường khác nhau và các kỹ thuật phối hợp trở kháng. Mục tiêu là trang bị cho sinh viên và kỹ sư khả năng phân tích, thiết kế và lựa chọn anten phù hợp cho các ứng dụng thực tế.

II. Bí quyết xử lý thách thức trong anten và truyền sóng

Việc nghiên cứu giáo trình anten truyền sóng không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn đối mặt với nhiều thách thức thực tiễn. Một trong những vấn đề cốt lõi là làm sao để truyền tải công suất tối đa từ nguồn phát đến anten và bức xạ hiệu quả ra không gian. Điều này liên quan trực tiếp đến các khái niệm như trở kháng và hiệu suất. Bất kỳ sự không tương thích nào cũng dẫn đến tổn hao năng lượng, phản xạ tín hiệu và làm giảm hiệu quả của toàn bộ hệ thống. Phần này sẽ tập trung phân tích các thách thức chính, bao gồm việc xác định và tối ưu trở kháng vào (input impedance), giải quyết hiện tượng sóng đứng trên đường truyền thông qua kỹ thuật phối hợp trở kháng, và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bức xạ của anten, cung cấp các giải pháp và bí quyết để vượt qua chúng.

2.1. Phân tích trở kháng vào input impedance và tổn hao

Trở kháng vào (input impedance) của anten, ký hiệu là ZA, là một trong những tham số quan trọng nhất. Nó là tỷ số giữa điện áp và dòng điện tại điểm cấp nguồn của anten. Theo tài liệu tham khảo "Antenna theory analysis and design" của Balanis, ZA được biểu diễn dưới dạng phức: ZA = RA + jXA. Trong đó, RA là tổng của điện trở tổn hao (RL) và điện trở bức xạ (Rr). Rr đại diện cho năng lượng được bức xạ ra không gian, còn RL đại diện cho năng lượng bị tiêu tán thành nhiệt do vật liệu của anten. Mục tiêu thiết kế là tối đa hóa Rr và tối thiểu hóa RL. Việc phân tích chính xác trở kháng vào là bước đầu tiên và quan trọng nhất để đảm bảo anten hoạt động hiệu quả.

2.2. Hiện tượng sóng đứng và kỹ thuật phối hợp trở kháng

Khi trở kháng của anten không khớp với trở kháng đặc tính của đường truyền sóng (transmission line), một phần năng lượng sẽ bị phản xạ ngược lại nguồn phát. Sự giao thoa giữa sóng tới và sóng phản xạ tạo ra hiện tượng sóng đứng, làm cho đường truyền hoạt động như một bộ lưu trữ năng lượng thay vì vận chuyển năng lượng. Để giải quyết vấn đề này, kỹ thuật phối hợp trở kháng được áp dụng. Mục tiêu là làm cho trở kháng của anten bằng liên hợp phức của trở kháng nguồn (ZA = ZS*). Khi đó, công suất truyền đến anten sẽ đạt cực đại và hiện tượng sóng đứng được giảm thiểu. Đây là một kỹ năng cốt lõi được nhấn mạnh trong mọi giáo trình anten truyền sóng.

2.3. Hiệu suất anten và các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp

Hiệu suất anten là tỷ số giữa công suất bức xạ (PR) và tổng công suất được cấp vào anten (Pin). Một anten lý tưởng có hiệu suất 100%, nghĩa là toàn bộ công suất đầu vào được chuyển thành sóng điện từ. Tuy nhiên, trong thực tế, luôn có sự tổn hao do điện trở của vật liệu dẫn (tổn hao ohmic) và tổn hao trong vật liệu điện môi. Các yếu tố như vật liệu chế tạo, tần số hoạt động, và kỹ thuật phối hợp trở kháng đều ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất. Giảm thiểu tổn hao và tối ưu hóa thiết kế là chìa khóa để đạt được hiệu suất cao, đảm bảo tín hiệu được truyền đi xa và mạnh nhất có thể.

III. Phương pháp phân tích anten dựa trên phương trình Maxwell

Nền tảng của toàn bộ giáo trình anten truyền sóng đều xuất phát từ các nguyên lý vật lý điện từ. Để hiểu sâu sắc cách một anten bức xạ năng lượng, chúng ta phải quay về với các định luật cơ bản được mô tả bởi phương trình Maxwell. Các phương trình này là bộ công cụ toán học mạnh mẽ, cho phép mô tả chính xác mối quan hệ giữa điện trường, từ trường, điện tích và dòng điện. Từ đó, ta có thể giải thích được cơ chế bức xạ, dự đoán được sự phân bố của trường điện từ trong không gian, và tính toán các đặc tính quan trọng của anten. Phần này sẽ làm rõ cách các phương trình Maxwell là chìa khóa để giải mã cơ chế bức xạ, đặc biệt qua ví dụ của anten dipole Hertz và tầm quan trọng của sự phân bố dòng điện trên cấu trúc anten.

3.1. Nền tảng bức xạ từ phương trình Maxwell kinh điển

Bốn phương trình Maxwell mô tả một cách hoàn chỉnh các hiện tượng điện từ. Chúng chỉ ra rằng một điện trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một từ trường xoáy, và một từ trường biến thiên sẽ sinh ra một điện trường xoáy. Chính sự tương tác qua lại này đã tạo ra sóng điện từ có khả năng tự lan truyền trong không gian. Một kết luận quan trọng rút ra từ các phương trình này là: để tạo ra bức xạ, cần phải có sự thay đổi của dòng điện hoặc điện tích theo thời gian (gia tốc của điện tích). Một dòng điện không đổi hoặc điện tích đứng yên không tạo ra bức xạ trường xa. Đây chính là nguyên lý cơ bản nhất giải thích tại sao anten phải được cấp nguồn bởi tín hiệu xoay chiều.

3.2. Cơ chế bức xạ của dipole Hertz và anten dây mỏng

Anten dipole Hertz là một mô hình lý thuyết cơ bản nhất, được xem như một đoạn dây dẫn rất ngắn (chiều dài L << λ) mang một dòng điện không đổi. Mặc dù đơn giản, việc phân tích dipole Hertz bằng cách sử dụng phương trình Maxwell cho phép chúng ta hiểu rõ cơ chế bức xạ. Khi dòng điện xoay chiều chạy trên dây, các điện tích bị gia tốc, tạo ra các trường điện và từ biến thiên lan truyền ra xa. Các đường sức điện không còn khép kín giữa hai đầu dipole mà tách ra và tạo thành các vòng khép kín lan truyền ra vô cùng. Đối với các anten dây mỏng thực tế, sự phân bố dòng điện không còn đồng nhất mà thường có dạng hình sin, nhưng nguyên lý bức xạ vẫn dựa trên nền tảng tương tự.

3.3. Phân bố dòng điện và ảnh hưởng đến bức xạ anten

Sự phân bố dòng điện trên bề mặt anten quyết định trực tiếp đến các đặc tính bức xạ của nó, bao gồm cả giản đồ bức xạ và độ lợi anten (gain). Trong một giáo trình anten truyền sóng, việc phân tích sự phân bố dòng là một bước quan trọng. Ví dụ, trên một anten dipole nửa sóng, dòng điện có giá trị lớn nhất ở trung tâm (điểm cấp nguồn) và bằng không ở hai đầu. Sự phân bố dạng sin này tạo ra một giản đồ bức xạ có dạng hình số 8. Bằng cách thay đổi hình dạng vật lý của anten hoặc cách cấp nguồn, chúng ta có thể thay đổi sự phân bố dòng điện, từ đó điều khiển hướng bức xạ của anten để tập trung năng lượng vào một hướng mong muốn, đây là nguyên lý cơ bản của các anten có tính định hướng cao.

IV. Top các loại anten phổ biến trong giáo trình truyền sóng

Thế giới anten vô cùng đa dạng, mỗi loại được thiết kế để phục vụ cho các ứng dụng và dải tần cụ thể. Một giáo trình anten truyền sóng chất lượng sẽ giới thiệu và phân tích chi tiết các loại anten phổ biến nhất, từ những cấu trúc đơn giản như anten dây cho đến các hệ thống phức tạp như anten phản xạ parabol. Việc hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động, và ưu nhược điểm của từng loại sẽ giúp kỹ sư lựa chọn đúng loại anten cho bài toán thực tế, dù đó là cho một chiếc điện thoại di động, một trạm thu phát sóng mặt đất, hay một vệ tinh viễn thông ngoài không gian. Phần này sẽ điểm qua các loại anten tiêu biểu như anten Dipole, anten Yagi-Uda, anten Parabol, và anten vi dải.

4.1. Thiết kế và ứng dụng của anten Dipole Yagi Uda

Anten Dipole, đặc biệt là dipole nửa sóng, là một trong những loại anten cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất. Nó thường được dùng làm anten độc lập cho các ứng dụng như phát thanh FM hoặc làm phần tử tích cực trong các cấu trúc anten phức tạp hơn. Anten Yagi-Uda là một cải tiến từ anten dipole. Nó bao gồm một chấn tử tích cực (dipole), một phần tử phản xạ (reflector) và nhiều phần tử dẫn hướng (director). Cấu trúc này giúp tập trung năng lượng bức xạ về một hướng, tạo ra độ lợi anten (gain) cao. Anten Yagi-Uda rất phổ biến trong các ứng dụng thu truyền hình mặt đất và các liên kết vô tuyến điểm-điểm.

4.2. Đặc điểm anten Parabol và anten vi dải hiện đại

Anten Parabol, hay anten chảo, là một loại anten phản xạ có độ lợi rất cao. Nó sử dụng một mặt phản xạ có dạng parabol để hội tụ sóng điện từ vào một điểm tiêu điểm, nơi đặt bộ thu/phát sơ cấp. Loại anten này không thể thiếu trong các hệ thống viễn thông vệ tinh, radar, và các liên kết vi ba tầm xa. Trong khi đó, anten vi dải (microstrip) lại trở nên phổ biến nhờ kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, và dễ chế tạo tích hợp trên mạch in (PCB). Chúng bao gồm một miếng kim loại (patch) được gắn trên một lớp nền điện môi có mặt đất ở phía dưới. Anten vi dải là lựa chọn hàng đầu cho các thiết bị di động, GPS, và các ứng dụng trong kỹ thuật siêu cao tần.

4.3. Anten dãy array và khả năng định hướng chùm tia

Khi một anten đơn không thể đáp ứng yêu cầu về độ lợi hoặc tính định hướng, người ta thường kết hợp nhiều anten đơn lại thành một anten dãy (array). Bằng cách sắp xếp các phần tử anten riêng lẻ và điều khiển pha cũng như biên độ của tín hiệu cấp cho mỗi phần tử, ta có thể tạo ra một giản đồ bức xạ tổng hợp theo ý muốn. Anten dãy cho phép tạo ra các búp sóng rất hẹp, tăng cường độ lợi anten (gain) và có khả năng điều khiển hướng của búp sóng chính một cách điện tử (beamforming). Công nghệ này là nền tảng cho radar mảng pha, các hệ thống thông tin di động 5G, và nhiều ứng dụng quân sự tiên tiến.

V. Cách đánh giá hiệu năng anten qua các tham số kỹ thuật

Để so sánh và lựa chọn anten phù hợp, các kỹ sư cần một bộ các tham số kỹ thuật để định lượng hiệu năng của chúng. Các tham số này được trình bày chi tiết trong mọi giáo trình anten truyền sóng và đóng vai trò như "bảng thông số kỹ thuật" của anten. Việc hiểu rõ ý nghĩa và cách đo lường các tham số này là cực kỳ quan trọng. Chúng không chỉ mô tả anten bức xạ năng lượng ra sao, mà còn liên quan đến khả năng tương thích của nó với phần còn lại của hệ thống. Phần này sẽ đi sâu vào các tham số then chốt như giản đồ bức xạ, độ lợi anten (gain), và phân cực sóng, cũng như xem xét ảnh hưởng của môi trường truyền sóng đến hiệu năng tổng thể.

5.1. Phân tích giản đồ bức xạ và độ rộng búp sóng

Giản đồ bức xạ là một biểu diễn đồ thị về đặc tính bức xạ của anten theo các hướng khác nhau trong không gian. Nó cho thấy cường độ của trường điện từ được bức xạ theo từng góc. Giản đồ này thường được chuẩn hóa về giá trị cực đại và có thể được vẽ trong tọa độ Descartes hoặc tọa độ cực. Các thành phần chính của giản đồ bao gồm búp sóng chính (main lobe), búp sóng phụ (side lobes), và búp sóng sau (back lobe). Một tham số quan trọng rút ra từ giản đồ là Độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW), thể hiện góc mà tại đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại. HPBW càng nhỏ, anten càng có tính định hướng cao.

5.2. Tầm quan trọng của độ lợi anten gain và phân cực sóng

Độ lợi anten (gain) là tham số kết hợp cả tính định hướng và hiệu suất của anten. Nó cho biết khả năng tập trung năng lượng bức xạ của anten theo một hướng cụ thể so với một anten chuẩn (thường là anten đẳng hướng). Độ lợi càng cao, tín hiệu truyền theo hướng đó càng mạnh và đi được xa hơn. Phân cực sóng mô tả hướng dao động của vector điện trường của sóng điện từ khi nó lan truyền. Phân cực có thể là tuyến tính (dọc hoặc ngang), tròn, hoặc elip. Để việc thu tín hiệu đạt hiệu quả tối đa, anten thu và anten phát phải có cùng phân cực. Sự không khớp về phân cực (polarization mismatch) sẽ gây ra suy hao tín hiệu đáng kể.

5.3. Môi trường truyền sóng Không gian tự do và tầng điện ly

Hiệu năng của một hệ thống thông tin vô tuyến không chỉ phụ thuộc vào anten mà còn vào môi trường mà sóng phải đi qua. Truyền sóng trong không gian tự do là mô hình lý tưởng, nơi không có vật cản và sóng suy hao theo bình phương khoảng cách. Tuy nhiên, trong thực tế, sóng bị ảnh hưởng bởi sự phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ do các vật thể trên mặt đất. Đối với truyền thông tầm xa ở dải tần HF, tầng điện ly của Trái Đất đóng vai trò như một tấm gương phản xạ sóng vô tuyến, cho phép tín hiệu truyền đi vòng quanh Trái Đất. Việc hiểu rõ các cơ chế truyền sóng này là một phần quan trọng của giáo trình anten truyền sóng.

VI. Tương lai ngành anten truyền sóng và kỹ thuật siêu cao tần

Lĩnh vực anten và truyền sóng đang phát triển không ngừng, được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ và dung lượng của các hệ thống viễn thông. Kiến thức nền tảng từ giáo trình anten truyền sóng là bệ phóng cho những nghiên cứu và phát triển đột phá. Các công nghệ mới như mạng 5G, 6G, Internet vạn vật (IoT), và truyền thông vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) đang đặt ra những yêu cầu khắt khe hơn bao giờ hết về thiết kế anten: nhỏ gọn hơn, hiệu quả hơn, thông minh hơn và hoạt động ở các dải tần ngày càng cao. Phần kết luận này sẽ tổng kết lại những kiến thức cốt lõi, đồng thời phác thảo các xu hướng phát triển chính của ngành và nhấn mạnh tầm quan trọng của việc học tập và cập nhật liên tục.

6.1. Tổng kết kiến thức trọng tâm từ giáo trình anten

Qua các phần, chúng ta đã hệ thống hóa các kiến thức trọng tâm của một giáo trình anten truyền sóng. Bắt đầu từ nguyên lý cơ bản của sóng điện từ dựa trên phương trình Maxwell, đến việc phân tích các tham số hiệu năng như trở kháng vào, giản đồ bức xạ và độ lợi anten. Giáo trình cũng bao quát các loại anten phổ biến từ anten dipole đơn giản đến anten parabol phức tạp. Nắm vững những kiến thức này không chỉ giúp giải quyết các bài toán thiết kế cơ bản mà còn là nền tảng để tiếp cận các kỹ thuật siêu cao tần và công nghệ anten tiên tiến.

6.2. Xu hướng phát triển anten cho hệ thống viễn thông 5G 6G

Các hệ thống viễn thông thế hệ mới như 5G và 6G đang hoạt động ở dải tần số sóng milimet (mmWave), đòi hỏi những công nghệ anten hoàn toàn mới. Anten dãy quy mô lớn (Massive MIMO) với khả năng định dạng chùm tia (beamforming) là công nghệ chủ chốt, cho phép phục vụ đồng thời nhiều người dùng và tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Anten tích hợp trong gói (Antenna-in-Package - AiP) giúp thu nhỏ kích thước thiết bị. Ngoài ra, việc nghiên cứu các vật liệu mới (metamaterials) và anten thông minh có khả năng tự cấu hình (reconfigurable antennas) đang mở ra những hướng đi đầy hứa hẹn cho tương lai của thông tin vô tuyến.

6.3. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu và cập nhật liên tục

Công nghệ thay đổi với tốc độ chóng mặt, và lĩnh vực anten cũng không ngoại lệ. Những kiến thức trong giáo trình anten truyền sóng là nền tảng vững chắc, nhưng chúng cần được bổ sung và cập nhật liên tục. Việc theo dõi các công bố khoa học, tham gia các hội thảo chuyên ngành, và học hỏi các công cụ mô phỏng thiết kế mới là điều cần thiết để một kỹ sư có thể duy trì năng lực cạnh tranh. Sự phát triển của kỹ thuật siêu cao tần, trí tuệ nhân tạo trong tối ưu hóa anten, và các ứng dụng mới sẽ tiếp tục định hình tương lai của ngành, đòi hỏi một tinh thần học tập không ngừng nghỉ.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Anten và Truyền sóng là tài liệu học tập thuộc khối kiến thức cơ sở ngành và chuyên ngành trong chương trình đào tạo kỹ sư, cử nhân ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông và Kỹ thuật Vô tuyến ở bậc đại học và sau đại học. Tài liệu hệ thống hóa các nguyên lý vật lý và công cụ toán học nhằm mô tả quá trình biến đổi giữa sóng điện từ dẫn trong đường truyền và sóng điện từ bức xạ trong không gian tự do. Nội dung được xây dựng dựa trên sự tổng hợp từ các giáo trình chuyên ngành trong nước và quốc tế, bao gồm Giáo trình Anten và Truyền sóng (ĐH Công nghiệp TP.HCM), giáo trình của tác giả Lê Tiến Thường (Anten và Truyền sóng, NXB ĐH Bách Khoa TP.HCM) và tài liệu kinh điển Antenna Theory: Analysis and Design của C. A. Balanis (John Wiley & Sons).

Mục tiêu học tập của giáo trình hướng đến việc trang bị cho người học:

• Khả năng phân tích mạch tương đương của hệ thống anten bao gồm nguồn, đường truyền dẫn sóng có trở kháng đặc tính $Z_c$ và tải anten $Z_A = (R_L + R_r) + jX_A$.
• Năng lực tính toán và đánh giá các thông số bức xạ cơ bản như trở kháng vào, hiệu suất bức xạ, trường điện từ vùng xa, vector Poynting, phân cực sóng, đồ thị bức xạ, độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW), độ rộng giữa hai điểm không đầu tiên (FNBW), độ lợi (Gain), công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) và tỷ số bức xạ trước - sau.
• Cơ chế phát xạ sóng điện từ từ các phân bố điện tích và dòng điện biến thiên, ứng dụng giải tích trên các mô hình dipole cơ bản (dipole Hertz, dipole ngắn) dựa trên hệ phương trình Maxwell.

Cấu trúc giáo trình đi từ các khái niệm tổng quan về phân loại, cơ chế vật lý của sự bức xạ, đến hệ thống thông số kỹ thuật định lượng và các phương pháp giải tích giải pháp trường bức xạ. Cách tiếp cận này duy trì tính logic chặt chẽ giữa lý thuyết trường điện từ giải tích và các bài toán kỹ thuật thực tế trong hệ thống thông tin vô tuyến.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

flowchart TD
    A["Hệ phương trình Maxwell & Trường điện từ"] --> B["Cơ chế bức xạ: Điện tích biến thiên & Dây dẫn gián đoạn"]
    B --> C["Mô hình hóa Mạch tương đương: ZA = (RL + Rr) + jXA"]
    C --> D["Hệ thống Thông số Kỹ thuật Anten"]
    D --> D1["Trở kháng vào & Phối hợp trở kháng (ZA = ZS*)"]
    D --> D2["Trường vùng xa (suy hao 1/r, thành phần θ, φ) & Vector Poynting"]
    D --> D3["Đồ thị bức xạ, HPBW, FNBW, SLL, Front-to-Back"]
    D --> D4["Độ lợi Gain, EIRP & Trạng thái phân cực"]
    D --> E["Phân loại & Cấu trúc Anten"]
    E --> E1["Anten dây: Thẳng, Vòng, Xoắn"]
    E --> E2["Anten vi dải (Microstrip) & Anten mặt (Aperture)"]
    E --> E3["Anten dãy (Array), Phản xạ (Parabol), Thấu kính (Lens)"]
    D --> F["Giải tích Bức xạ Dipole"]
    F --> F1["Dipole Hertz (L << λ, dòng hằng Io)"]
    F --> F2["Dipole ngắn (L << λ, dòng tam giác)"]

Các chương và chủ đề chính

Nội dung trọng tâm của giáo trình tập trung vào các khối kiến thức nền tảng và chuyên sâu về cấu trúc anten và giải tích bức xạ:

1. Khái niệm và Phân loại Anten (Chương 1 - Mục 1 & 2):

   • Định nghĩa anten dưới hai góc độ: thiết bị kim loại dùng để bức xạ/thu nhận sóng điện trường, hoặc cấu trúc chuyển đổi giữa môi trường không gian tự do và thiết bị dẫn sóng.
   • Mô hình mạch tương đương: anten đóng vai trò là một tải phức $Z_A = (R_L + R_r) + jX_A$ nối với đường truyền có trở kháng đặc tính $Z_c$. Trong đó, $R_L$ là điện trở tổn hao cấu trúc, $R_r$ là điện trở bức xạ và $X_A$ là phần kháng liên quan đến năng lượng lưu trữ trong trường gần. Phân tích hiện tượng sóng đứng, sóng phản xạ và điều kiện truyền công suất cực đại khi có phối hợp trở kháng liên hợp ($Z_A = Z_S^*$).
   • Phân loại 6 cấu trúc anten cơ bản:
     • Anten dây (Wire antennas): Dạng đường thẳng, vòng (loop), xoắn (helix); ứng dụng trên ô tô, tòa nhà, tàu thủy, máy bay.
     • Anten mặt (Aperture antennas): Dạng miệng mở lắp đặt trên thân máy bay, tàu vũ trụ; thường được phủ lớp vật liệu cách điện để bảo vệ trong môi trường hoạt động khắc nghiệt.
     • Anten vi dải (Microstrip antennas): Phát triển mạnh từ thập niên 1970; cấu tạo gồm phiến kim loại (hình chữ nhật hoặc hình tròn) gắn trên bề mặt lớp điện môi nền; ứng dụng trong thiết bị di động, vệ tinh, tên lửa và thông tin thương mại.
     • Anten dãy (Array antennas): Tập hợp các phần tử anten đơn lẻ theo quy luật không gian và pha nhằm tổng hợp đặc tính bức xạ định hướng theo yêu cầu.
     • Anten phản xạ (Reflector antennas): Cấu trúc mặt phản xạ parabol dùng trong liên lạc cự ly xa và nghiên cứu thám hiểm không gian.
     • Anten thấu kính (Lens antennas): Sử dụng vật liệu và hình học khúc xạ để chuẩn trực phân bố sóng thành sóng phẳng, tập trung năng lượng bức xạ.

2. Cơ chế bức xạ điện từ (Chương 1 - Mục 3 & 4):

   • Phân tích toán - lý về sự tạo thành bức xạ từ mật độ điện tích khối $q_v$, mật độ điện tích mặt $q_s$ và mật độ dòng điện $J_z$ chuyển động trong dây dẫn tiết diện $A$, thể tích $V$.
   • Điều kiện tạo ra bức xạ: Hạt điện tích phải có gia tốc, dòng điện biến thiên theo thời gian, hoặc dây dẫn bị uốn cong, có độ dài hữu hạn hay gián đoạn hình học. Điện tích đứng yên hoặc chuyển động đều trên dây dẫn thẳng dài vô hạn không phát xạ sóng điện từ.
   • Quá trình khép kín và tách rời của các đường sức điện trường trên đường dây song hành và cấu trúc dipole.
   • Phân bố dòng điện trên anten dây mỏng.

3. Hệ thống các tham số đặc tính của Anten (Chương 1 - Mục 6):

   • Trở kháng vào và hiệu suất: Xác định công suất hấp thụ, công suất bức xạ $P_R$, và tổn hao điện môi/dẫn điện nhằm tính toán hiệu suất tổng $\eta$.
   • Trường bức xạ vùng xa: Khảo sát thành phần trường điện chỉ suy hao tỷ lệ nghịch với khoảng cách ($1/r$), triệt tiêu thành phần dọc trục tia ($E_r = 0$), trường được mô tả hoàn toàn qua hai thành phần góc $(\theta, \phi)$.
   • Công suất và phân cực: Ứng dụng vector Poynting để xác định mật độ thông lượng công suất; phân loại các trạng thái phân cực sóng (tuyến tính, tròn, elip) dựa trên quỹ đạo của đầu mút vector điện trường theo thời gian.
   • Đặc tính hướng: Xây dựng đồ thị bức xạ không gian chuẩn hóa biên độ cực đại bằng 1; xác định độ rộng búp sóng nửa công suất (HPBW), độ rộng giữa hai điểm không đầu tiên (FNBW), độ lợi công suất (Gain), công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP), mức búp sóng phụ (SLL) và tỷ số trước - sau (Front-to-Back Ratio).

4. Lý thuyết giải tích Anten dựa trên phương trình Maxwell (Chương 7):

   • Thiết lập hệ phương trình Maxwell làm nền tảng tìm thế vector từ và trường bức xạ.
   • Dipole Hertz (Mục 7.5): Phân tích phần tử anten có chiều dài rất nhỏ so với bước sóng ($L \ll \lambda$) với giả thiết dòng điện không đổi $I_0$ dọc theo chiều dài.
   • Dipole ngắn (Mục 7.6): Khảo sát phần tử có $L \ll \lambda$ nhưng phân bố dòng điện suy giảm tuyến tính dạng tam giác về hai đầu mút hở.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình củng cố ba khối lý thuyết chính:

• Lý thuyết Điện từ trường: Hệ phương trình Maxwell, định luật bảo toàn điện tích, nghiệm sóng phẳng và sóng cầu trong môi trường không gian tự do, định lý Poynting về bảo toàn năng lượng điện từ.
• Lý thuyết Mạch và Đường truyền: Mô hình tải tương đương $Z_A = (R_L + R_r) + jX_A$, phân tích sóng phản xạ, hệ số sóng đứng (SWR), phối hợp trở kháng liên hợp cực đại $Z_A = Z_S^*$ trên đường truyền có trở kháng đặc tính $Z_c$.
• Lý thuyết Bức xạ và Nguồn dòng: Mối quan hệ giữa đạo hàm dòng điện theo thời gian, gia tốc điện tích và sự hình thành sóng lan truyền trong không gian tự do.

Kỹ năng phát triển

Qua các nội dung giải tích và tính toán tham số, giáo trình rèn luyện cho người học:

• Kỹ năng kỹ thuật: Tính toán trở kháng vào, tổn hao đường truyền, thiết lập phối hợp trở kháng giữa máy phát/máy thu và anten để loại bỏ sóng phản xạ không mong muốn.
• Kỹ năng phân tích: Đọc và giải đoán đồ thị bức xạ chuẩn hóa 2D/3D; trích xuất các thông số HPBW, FNBW, mức búp phụ SLL và tỷ số Front-to-Back từ dữ liệu đồ thị trường.
• Năng lực tính toán tham số hệ thống vô tuyến: Xác định cự ly truyền dẫn, mật độ công suất bức xạ vùng xa thông qua vector Poynting và tính toán công suất phát xạ vô hướng tương đương EIRP cho các đài vô tuyến.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình triển khai phương pháp tiếp cận diễn dịch: đi từ các định luật cơ bản của trường điện từ (phương trình Maxwell, điều kiện biên, thế vector), giải thích cơ chế vật lý của dòng điện biến thiên, sau đó chuyển sang mô hình hóa mạch tương đương và tham số hóa các đặc tính bức xạ vùng xa.

flowchart LR
    Theory["Lý thuyết Maxwell & Dòng biến thiên"] --> Circuit["Mô hình Mạch tương đương (ZA, Zc)"]
    Circuit --> Params["Trích xuất Tham số (Gain, HPBW, EIRP, SLL)"]
    Params --> Modeling["Giải tích Dipole & Cấu hình Thực tế"]

• Bài tập giải tích: Người học thực hiện các bài toán phân tích phân bố dòng điện (dòng hằng trên dipole Hertz, dòng tam giác trên dipole ngắn) để tính toán cường độ trường bức xạ $E_\theta, H_\phi$ và điện trở bức xạ $R_r$.
• Bài toán phối hợp trở kháng và suy hao: Tính toán các giá trị công suất bức xạ hữu ích $P_R$, công suất tiêu hao trên điện trở tổn hao cấu trúc $R_L$, và xác định hiện tượng lưu trữ năng lượng trên đường truyền khi anten không được phối hợp trở kháng chuẩn xác.
• Phân tích dữ liệu bức xạ: Thực hành chuẩn hóa đồ thị bức xạ về đơn vị cực đại, xác định góc mở chùm tia ở mức $-3\text{ dB}$ (nửa công suất) và tính toán tỷ số trước - sau nhằm phục vụ yêu cầu tối ưu định hướng, triệt bức xạ theo các hướng không mong muốn.
• Đánh giá kết quả học tập: Thực hiện qua các bài kiểm tra tự luận định lượng yêu cầu thiết lập công thức trường bức xạ, bài tập tính toán thiết kế mạng phối hợp trở kháng, và bài tập đánh giá tham số hệ thống truyền sóng vô tuyến.
• Hướng dẫn tự học: Người học cần bám sát trình tự từ việc nắm vững định nghĩa trở kháng anten ($R_L, R_r, X_A$), hiểu rõ cơ chế chuyển tiếp từ dòng dẫn sang sóng tự do, trước khi chuyển sang các cấu trúc anten định hướng phức tạp như vi dải, mảng hoặc chảo phản xạ parabol.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Nội dung giáo trình phản ánh sự chuẩn hóa kiến thức lý thuyết theo các tài liệu tham khảo tiêu chuẩn quốc tế và trong nước:

Nhóm nội dung	Nền tảng kinh điển (Balanis, Lê Tiến Thường)	Yêu cầu kỹ thuật trong tài liệu
Cơ chế bức xạ	Giải tích giải pháp sóng từ phương trình Maxwell và thế điện từ	Phân tích điều kiện vi mô: hạt điện tích gia tốc, dây dẫn cong/gián đoạn
Mạch tương đương	Biểu diễn nguồn tải phức	Phân tách rõ điện trở suy hao $R_L$, điện trở bức xạ $R_r$ và phần kháng $X_A$
Trường vùng xa	Nghiệm trường Helmholtz	Chuẩn hóa trường suy hao $1/r$, triệt tiêu hoàn toàn thành phần bán kính ($E_r = 0$)
Dạng hình học anten	Khảo sát anten dây truyền thống	Mở rộng phân loại: Anten vi dải (từ 1970), anten mặt bọc cách điện, thấu kính chuẩn trực sóng phẳng

Giáo trình liên kết chặt chẽ giữa mô hình toán học và các yêu cầu kỹ thuật thực tế trong công nghiệp:

• Kỹ thuật vi dải (Microstrip): Trình bày cấu trúc tấm kim loại (chữ nhật, tròn) đặt trên đế điện môi, phản ánh bước phát triển của công nghệ mạch tích hợp siêu cao tần ứng dụng trong thiết bị di động, hệ thống hàng không, tên lửa và vệ tinh thương mại.
• Hệ thống liên lạc cự ly xa: Phân tích vai trò của anten phản xạ parabol và anten thấu kính trong việc định hình búp sóng hẹp, chuẩn trực mặt sóng phẳng nhằm phục vụ truyền dẫn vô tuyến không gian và truyền dẫn vi ba băng rộng.
• Bảo vệ môi trường hoạt động: Khảo sát việc phủ lớp vật liệu điện môi cách điện bên ngoài các anten mặt để duy trì khả năng hoạt động ổn định trên thân máy bay và tàu vũ trụ trong môi trường khắc nghiệt.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình Anten và Truyền sóng được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong môi trường học thuật và nghiên cứu kỹ thuật:

• Sinh viên đại học: Sinh viên năm thứ ba hoặc năm thứ tư thuộc các ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Vô tuyến, Kỹ thuật Không gian và Kỹ thuật Tự động hóa.
• Học viên cao học: Học viên chuyên ngành Viễn thông cần tài liệu củng cố giải tích trường bức xạ dipole, lý thuyết bức xạ từ phương trình Maxwell và phân tích tham số vùng xa.
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites):
  • Vật lý đại cương (phần Điện - Từ).
  • Giải tích và Phương trình vi phân đạo hàm riêng.
  • Lý thuyết Trường điện từ (Hệ phương trình Maxwell, điều kiện biên, truyền sóng phẳng).
  • Lý thuyết Mạch và Đường truyền cao tần (Trở kháng sóng, hệ số phản xạ, đồ thị Smith, sóng đứng).
• Giảng viên: Dùng làm đề cương chi tiết và tài liệu giảng dạy chính cho môn học Anten - Truyền sóng, cung cấp khung bài tập giải tích và hệ thống thông số chuẩn hóa.
• Kỹ sư và cán bộ nghiên cứu: Làm tài liệu tra cứu các công thức giải tích dipole Hertz, dipole ngắn, các tiêu chuẩn tính toán EIRP, độ lợi, hiệu suất và phối hợp trở kháng trong thiết kế hệ thống vô tuyến.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Giáo trình được thiết kế cho sinh viên đại học từ năm thứ ba trở lên và học viên sau đại học thuộc khối ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông và Kỹ thuật Vô tuyến.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi tiếp cận giáo trình?

Người học cần hoàn thành các học phần về Toán giải tích (vi tích phân vector), Lý thuyết Mạch điện, và Lý thuyết Điện từ trường (đặc biệt là hệ phương trình Maxwell và lý thuyết đường truyền dẫn sóng cao tần).

3. Giáo trình phân loại các loại anten theo những cấu trúc hình học nào?

Tài liệu phân loại chi tiết 6 kiểu anten cơ bản: anten dây (thẳng, vòng, xoắn), anten mặt (aperture), anten vi dải (microstrip patch chữ nhật/tròn), anten dãy (array), anten phản xạ (parabol) và anten thấu kính (lens).

4. Mạch tương đương của anten được mô tả như thế nào trong tài liệu?

Anten được mô hình hóa thành một tải phức có trở kháng $Z_A = (R_L + R_r) + jX_A$, trong đó $R_L$ là điện trở tổn hao cấu trúc, $R_r$ là điện trở bức xạ, và $X_A$ là phần ảo đại diện cho năng lượng phản kháng. Mạch này kết nối với nguồn thông qua đường truyền có trở kháng đặc tính $Z_c$.

5. Sự khác biệt giữa mô hình Dipole Hertz và Dipole ngắn trong Chương 7 là gì?

Cả hai mô hình đều có chiều dài phần tử $L \ll \lambda$. Tuy nhiên, dipole Hertz giả thiết phân bố dòng điện là hằng số $I_0$ dọc theo chiều dài anten, trong khi dipole ngắn mô hình hóa dòng điện suy giảm dần theo dạng tam giác về giá trị 0 tại hai đầu mút.

---

Kết luận

Giáo trình Anten và Truyền sóng cung cấp hệ thống kiến thức hoàn chỉnh từ nguyên lý điện từ vi mô (điện tích biến thiên, gia tốc hạt) đến mô hình hóa mạch tương đương ($Z_A = (R_L + R_r) + jX_A$) và các tham số kỹ thuật vùng xa (Gain, HPBW, EIRP, phân cực). Lộ trình học tập được thiết kế mạch lạc từ lý thuyết trường Maxwell, qua cơ chế bức xạ vật lý, đến khảo sát các dạng anten thực tế như vi dải, anten mặt, anten phản xạ và giải tích các dipole cơ bản. Để hoàn thiện chương trình học, người học nên kết hợp nghiên cứu giáo trình cùng các tài liệu tham khảo đồng hành của C. A. Balanis (Antenna Theory: Analysis and Design), Lê Tiến Thường (Anten và Truyền sóng - NXB ĐH Bách Khoa TP.HCM) và Giáo trình Anten và Truyền sóng (ĐH Công nghiệp TP.HCM).

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Antennas 1. Cơ chế bức xạ 4. Phân bố dòng trên 1 antenna day mỏng 1. Giới thiệu • Antenna: là một thiết bị bằng kim loại dùng để bức xạ hoặc thu các sóng điện trường.

• Hoặc: antenna là 1 cấu trúc chuyển đổi giữa không gian tự do và 1 thiết bị dẫn sóng 1. Giới thiệu • Mạch tương đương của 1 hệ thống antenna biểu diễn như sau: • Nguồn được biểu diễn như 1 nguồn lý tưởng • Đường truyền được biểu diễn như 1 đường có trở kháng đặc tính Zc • Antenna được biểu diễn như 1 tải ZA= (RL + Rr) + jXA nối đến đường truyền 1. Giới thiệu • RL: biểu diễn độ suy hao điện liên quan cấu trúc antenna • Rr: biểu diễn điện trở bức xạ của antenna • XA: biểu diễn phần ảo của trở kháng liên quan đến sự bức xạ của antenna 1. Giới thiệu • Dưới các điều kiện lý tưởng, năng lượng bức xạ từ nguồn sẽ chuyển đổi tất cả cho trở kháng bức xạ Rr • Tuy nhiên trong 1 hệ thống thực tế, có những tổn hao năng lượng do sự mất mát tự nhiên trên đường truyền và antenna, cũng như do sự suy hao phản xạ tại giao tiếp giữa 2 thành phần này 1.

Giới thiệu • Khi xem xét vấn đề trở kháng bên trong nguồn và bỏ qua suy hao phản xạ và đường nối, công suất tối đa được truyền đến antenna trong trường hợp phối hợp trở kháng 1. Giới thiệu • Các sóng phản xạ và sóng tới gạp nhau và tạo ra hiện tượng sóng đứng • Nếu 1 antenna không được thiết kế tốt, đường truyền có thể hoạt động như 1 thành phần lưu trữ năng lượng thay vì vận chuyển năng lượng. Giới thiệu • Các suy hao do đường truyền, anten, và sóng đứng là không mong muốn. • Suy hao do đường truyền có thể giảm thiểu bằng cách lựa chọn các đường truyền suy hao thấp • Suy hao do anten có thể giảm bằng cách giảm trở kháng suy hao RL 1.

Giới thiệu • Các sóng đứng có thể giảm bằng cách phối hợp tốt trở kháng anten và trở kháng đặc tính của đường dây • Cùng với việc thu hoặc phát năng lượng, một anten trong một hệ thống vô tuyến hiện đại thường yêu cầu tối ưu việc bức xạ năng lượng theo 1 số hướng và triệt theo 1 số hướng khác. Î anten phục vụ như 1 thiết bị định hướng 2. Các kiểu anten • Antenna dây: thường dùng trên xe ô tô, tòa nhà, tàu thủy, máy bay … • Có nhiều hình dạng như đường dây thẳng, vòng, xoắn 2. Các kiểu anten • Antenna mặt: thường dùng cho những ứng dụng trên máy bay hay vũ trụ …bởi vì nó rất thuận tiện cho việc lắp đặt trên bề mặt máy bay hay vũ trụ.

• Ngoài ra chúng còn được bao phủ bởi 1 vật liệu cách điện để bảo vệ anten trong các môi trường nguy hiểm 2. Các kiểu anten • Antenna mặt: 2. Các kiểu anten • Antenna vi dải (microstrip): trở nên phổ biến từ năm 1970 • Ngày nay dùng trong các thiết bị thương mại và quản lý • Những anten này gồm một bề mặt kim loại gắn lên bề mặt nền. • Các miếng kim loại này có thể có nhiều cấu hình khác nhau.

Tuy nhiên hình dạng chữ nhật và vòng tròn thường được dùng nhất. • Các antenna này có thể được lắp đặt trên các máy bay, vũ trụ, vệ tinh, tên lửa, xe, và thiết bị di động. Các kiểu anten • Antenna vi dải (microstrip): 2. Các kiểu anten • Antenna dãy (array): nhiều ứng dụng yêu cầu các đặc tính bức xạ mà không thể thu được bởi 1 anten đơn.

• Tuy nhiên, có thể tạo ra một bức xạ theo ý muốn bằng cách sắp xếp các phần tử antenna rieng lẻ thành 1 dãy 2. Các kiểu anten • Antenna phản xạ: sự thành công trong việc khám phá vũ trụ thúc đẩy phát triển công nghệ anten • Bởi vì cần phải liên lạc với khoảng các xa, nhiều dạng anten phức tạp phải được dùng để thu và phát tín hiệu ở rất xa. • Một dạng rất phổ biến chính là các antenna dạng parabol 2. Các kiểu anten • Antenna phản xạ: 2.

Các kiểu anten • Antenna thấu kính (lens): được dùng chủ yếu để tập trung năng lượng sóng theo 1 hướng mong muốn • Bằng cách thiết kế hình dạng và lựa chọn vật liệu thích hợp, antenna có thể chuyển đổi nhiều dạng sóng phân bố thành sóng phẳng. • Antenna được dùng trong các thiết bị như antenna phản xạ parabol • Antenna thấu kính được phân loại tùy theo vật liệu thiết kế và hình dạng của antenna. Các kiểu anten • Antenna thấu kính (lens): 3. Cơ chế bức xạ • Một câu hỏi đặt ra là: “cách bức xạ được thực hiện như thế nào?” hay nói 1 cách khác “làm thế nào sóng điện từ được tạo ra từ một nguồn? • Bức xạ từ 1 dây sóng đơn: • Giả sử một mật độ điện tích qv (coulombs/m3) Phân bố đều trong 1 dây hình tròn có diện Tích là A và thể tích là V Tổng số điện tích Q nội trong V đang di chuyển theo hướng z Với 1 vận tốc không đổi vz (m/s) Mật dộ dòng điện Jz (ampere/m2) Qua vùng mặt cắt của dây dẫn: 3.

Cơ chế bức xạ • qs(C/m2) là mật độ điện tích bề mặt • Nếu dây dẫn là rất mỏng (bán kính =0) ⇒ Dòng điện trên dây dẫn là qI là lượng điện tích trên 1 đơn vị Xét trường hợp dây dẫn là rất mỏng dòng điện chỉ chạy theo hướng z Nếu dòng điện thay đổi theo thời gian Nếu dây có chiều dài l 3. Cơ chế bức xạ • Phương trình trên biểu diễn mối liên hệ giữa dòng điện và điện tích, hay là mối quan hệ cơ bản của bức xạ trường điện từ. • Ta có thể kết luận: để tạo ra sự bức xạ, cần có 1 sự thay đổi của dòng điện hay điện tích • Để tạo sự thay đổi điện tích, dây dẫn phải uốn cong và có chiều dài giới hạn • Tóm lại: • Nếu điện tích không di chuyển, dòng điện không được tạo ra và không có sự bức xạ • Nếu điện tích di chuyển với vận tốc cố định – Sẽ không có sự bức xạ nếu dây dẫn thẳng và dài vô hạn – Có sự bức xạ nếu dây dẫn cong và không liên tục 3. Cơ chế bức xạ 3.

Cơ chế bức xạ • Bức xạ từ 2 dây dẫn: • Các đường điện trường xuất phát từ các điện tích dương và kết thúc tại điện tích âm • Điện trường cũng có thể xuất phát từ điện tích dương đi ra vô cùng hoặc từ vô cùng về điện tích âm, hoặc tạo các vòng tròn bức xạ xung quanh antenna 3. Cơ chế bức xạ • Bức xạ từ 2 dây dẫn: 3. Cơ chế bức xạ • Bức xạ từ dipole: 3. Cơ chế bức xạ • Bức xạ từ dipole: 4.

Phan bố dòng điện trên antenna dây mỏng 4. Phan bố dòng điện trên antenna dây mỏng 4. Phan bố dòng điện trên antenna dây mỏng Mô tả các đặc tính của anten 6.1 Trở kháng vào của anten: Mô tả các đặc tính của anten 6.1 Trở kháng vào của anten: PA đạt cực đại khi ZA = ZS* Mô tả các đặc tính của anten 6.1 Trở kháng vào của anten: Khi không có phối hợp trở kháng: Mô tả các đặc tính của anten 6.1 Trở kháng vào của anten: Mô tả các đặc tính của anten 6.2: Hiệu suất anten Một cách lý tưởng thì anten phát sẽ bức xạ toàn bộ công suất được hấp thụ tại các ngõ vào của chúng Trong thực tế, các sự mất mát điện và điện môi trên anten sẽ hạn chế điều này. Tổng công suất bức xạ bởi anten PR Hiệu suất anten: Mô tả các đặc tính của anten 6.3: Trường điện từ được tạo bởi anten: -Trường điện truyền lan xa dần anten theo hướng tia - Trường điện suy hao theo 1/r -Trường điện không có thành phần tia r; trường có thể hoàn toàn được biểu diễn theo các thành phần θ, Φ Mô tả các đặc tính của anten 6.4: Công suất trường điện từ: -Vector Poynting: -Dòng công suất của trường điện từ: -Mật độ bức xạ của trường vùng xa: Mô tả các đặc tính của anten 6.5: Sự phân cực: -Trường điện và từ được tạo bởi 1 anten có dáng vẻ rất giống như sóng phẳng khi quan sát tại vùng xa -Sự phân cực của sóng được định nghĩa là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vector trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng -Sự phân cực gồm các loại: -Tuyến tính -Tròn -Ellip Mô tả các đặc tính của anten 6.6: Đồ thị bức xạ: -Đồ thị bức xạ của 1 anten là sự trình bày bằng đồ thị các tính chất bức xạ của 1 anten -Nó bao gồm thông tin về phân bố năng lượng, pha, và sự phân cực của các trường bức xạ -Khi vẽ các đặc tính bức xạ, ta thường chỉ chú ý so sánh chất lượng anten theo các chiều khác nhau, và do vậy, chúng ta thường chuẩn hóa giá trị tối đa của hàm được vẽ là đơn vị Mô tả các đặc tính của anten 6.6: Đồ thị bức xạ: Mô tả các đặc tính của anten 6.7: Độ rộng nửa công suất và độ rộng giữa các giá trị không đầu tiên: - Độ rộng búp sóng nửa công suất là số đo góc bao quanh hướng bức xạ cực đại với cường độ bức xạ chuẩn hóa của anten là lớn hơn 1/2 - Độ rộng giữa các không đầu tiên là góc giữa các không đầu tiên của đồi thị kề với búp chính Mô tả các đặc tính của anten 6.8: Độ rộng nửa công suất và độ rộng giữa các giá trị không đầu tiên: Mô tả các đặc tính của anten 6.10: Độ lợi anten và EIRP: - Độ lợi của anten định nghĩa như sau: - Độ lợi cực đại của anten định nghĩa như sau: Mô tả các đặc tính của anten 6.10: Độ lợi anten và EIRP: - Công suất bức xạ vô hướng tương đương (EIRP) là tổng công suất mà nó được bức xạ bởi anten vô hướng, cường độ bức xạ của nó bằng cường độ bức xạ cực đại của anten đang xét Mô tả các đặc tính của anten 6.11: Mức bức xạ phụ của anten và tỷ số trước sau: Chương 7: Lý thuyết Anten Phương trình Maxwell 7.5 Các đặc tính bức xạ của dipole Hertz Anten dipole Hertz là dãy có chiều dài L << λ được cung cấp một mật độ dòng hằng Io 7.6 Anten dipole ngắn Anten dipole ngắn có chiều dài L << λ được cung cấp phân bố dòng dạng tam giác