Đặt vấn đề 9HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử CBHD: TS. Phan Hồng Phương CHƯƠNG 2 LÝ TUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTENVÀ ARRAYANTEN 2.1 Lý thuyết chung về anten 2.1 Giới thiệu Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (anten thu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten. Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể hiện trong hình 2. Thông thường giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là fide.
Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo fidetới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này được truyền theo fide tới máy thu.
Yêu cầu của thiết bị anten và fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhấtvà không gây ra méo dạng tín hiệu Hình 2.1: Anten như một thiết bị truyền sóng [6] Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 10HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử CBHD: TS. Phan Hồng Phương Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 2.2 làm việc ở chế độ phát thể hiện trong hình 2. Trong đó, ngu ồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc trưng ZC , và anten được thể hiện bởi tải ZA , trong đó ZA =(R L + R r )+jX A. Trở kháng tải R L thể hiện sự suy hao do điện môi và vật dẫn, hai thành phần suy hao này luôn gắn với cấu trúc anten.
Trở kháng R r được gọi là trở kháng bức xạ, nó thể hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten.Điện kháng X A thể hiện phần ảo của trở kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten.Ngoài sóng điện từ bức xạ ra khu trường xa, còn có trường điện từ dao động ở gần anten, ràng buộc với anten. Phần công suất này không bức xạ ra ngoài, mà khi thì chuyển thành năng lượng điện trường, khi thì chuyển thành năng lượng từ trường thông qua việc trao đổi năng lượng với nguồn. Công suất này gọi là công suất vô công, và được biểu thị thông qua điện kháng XA. Trong điều kiện lý tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới trở kháng bức xạ R r.
Tuy nhiên, trong một hệ thống thực tế, luôn tồn tại các suy hao do điện môi và suy hao do vật dẫn (tùy theo bản chất của đường truyền dẫn và anten), cũng như tùy theo sự suy hao do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiếp điện giữa đường truyền và anten.2: Phương trình tương đương Thevenin cho hệ thống anten [6] Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 11HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử CBHD: TS. Phan Hồng Phương Sóng tới bị phản xạ tại điểm tiếp điện giữa đường truyền dẫn và đầu vào anten.Sóng phản xạ cùng với sóng truyền đi từ nguồn thẳng tới anten giao thoa nhau tạo thành sóng đứng (standing wave) trên đường truyền dẫn.Khi đó trên đường truyềnxuất hiện các nút và bụng sóng đứng.Một mô hình sóngđ ứng điển hình được thểhiện là đường gạch đứt trong hình 2. Nếu hệ thống anten được thiết kế không chính xác, đường truyền có thể chiếmvai trò như một thành phần lưu giữ năng lượng hơn là một thiết bị truyền nănglượng và dẫn sóng. Nếu cường độ trường cực đại của sóng đứng đủ lớn, chúng có thể phá hủy đường truyền dẫn.Tổng suy hao phụ thuộc vào đường truyền, cấu trúcanten, sóng đứng.
Suy hao do đường truyền có thể được tối thiểu hóa bằng cáchchọn các đường truyền tổn hao thấp, trong khi suy hao do anten có thể được giảm đibằng cách giảm trở kháng bức xạ 𝑅𝑅𝐿𝐿 trong hình 2. Sóng đứng có thể được giảm đivà khả năng lưu giữ năng lượng của đường truyền được tối thiểu hóa bằng cáchphối hợp trở kháng của anten với trở kháng đặc trưng của đường truyền.Tức là phốihợp trở kháng giữa tải với đường truyền, ở đây tải chính là anten. Một phương trình tương t ự như hình 2.2 được sử dụng để thể hiện hệ thống anten trong chế độ thu. Trong đó, nguồn được thay bằng một bộ thu.
Tất cả cácphần khác của phương trình tương đương là tương tự. Trở kháng phát xạ 𝑅𝑅𝑟𝑟 được sửdụng để thểhiện trong chế độ thu nhận năng lượng điện từ từ không gian tựdotruyền tới anten. Cùng với việc thu nhận hay truyền phát năng lượng, anten trong các hệ thống không dây thường được yêu cầu là định hướng năng lượng bức xạ mạnh theo mộtvài hướng và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác. Do đó, anten ũcng cần phải cóvai trò như m ột thiết bị bức xạ hướng tính.
Hơn nữa, anten cũng phải có các hìnhdạng khác nhau để phù hợp cho các mục đích cụ thể. Công nghệ anten đã là m ột phần không thể thiếu trong các giải pháp truyềnthông. Nhiều sự cải tiến đã được đưa ra trong thời gian cách đây hơn 50 Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 12HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử CBHD: TS. Phan Hồng Phương nămvẫncòn sử dụng ngày nay.Tuy nhiên, ngày nay các kết quả mới và những thay đổi đãđược đưa ra, đặc biệt là nhu cầu hiệu suất hệ thống ngày càng lớn hơn.2 Các tham số cơ bản của anten Phần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sự bức xạ sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, phân cực sóng bức xạ, độđịnh hướng, tần số cộng hưởng, trở kháng, băng thông, độ lợi,… 2.1Sự bứ xạ sóng điện từ bởi một anten Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, hai trường được tạo ra.Một trường là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này ràng buộc với anten, còn trường kia là trường bức xạ (trường khu xa).
Ngay tại anten (trongtrường gần), cường độ của các trường này lớn và tỉ lệ tuyến tính với lượng nănglượng được cấptới anten.Tại khu xa, chỉ có trường bức xạ là được duy trì. Trường khu xa gồm hai thành phần là điện trườngvà từ trường (Hình 2.1: Các trường bức xạ tại khu xa [7] Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 13HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử CBHD: TS. Phan Hồng Phương Cả hai thành phần điện trường và từ trường bức xạ từ một anten hình thành trường điệntừ. Trường điện từ truyền và nhận năng lượng điện từ thông quakhông gian tự do.
Sóng vô tuyến là một trường điện từ di chuyển.Trường khu xa là cácsóng phẳng. Khi sóng truyền đi, năng lượng mà sóng mang theo trải ra trên mộtdiện tích ngày càng lớn hơn. Điều này làm cho năng lượng trên một diện tích cho trước giảm đi, khi khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng.2Giản đồ bức xạ Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trường điện từ với một giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten được sử dụng.Giản đồ bức xạnày thể hiện các đặc tính định hướng của anten. Giản đồ bức xạ của anten đượcđịnh nghĩa như sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặctính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian”.
Trong hầu hết cáctrường hợp, giản đồ bức xạ được xét ở trường xa.Đặc tính bức xạ là sự phân bốnăng lượng bức xạ trong không gian hai chiều (2D) hay ba chiều (3D). Sự phânbố đó là hàm của vị trí quan sát dọc theo một đường hay một bề mặt có bán kínhkhông đổi. Hệ tọa độ cực thường được sử dụng để thể hiện trường bức xạ tronghình 2. Trong thực tế, ta có thể biểu diễn giản đồ 3D bởi hai giản đồ 2D.Thông thường chỉ quan tâm tới giản đồ là hàm của biến θ với vài giá trị đặc biệt củaϕ, và giản đồ là hàm của ϕ với một vài giá trị đặc biệt của θ là đủ để đưa ra hầu hết các thông tin cần thiết.
Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 14HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử CBHD: TS. Phan Hồng Phương Hình 2.1: Hệ thống tọa độ phân tích anten [6] Giản đồ đẳng hướng và hướng tính Anten đẳng hướng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả cáchướng. Mặc dù nó là lý tưởng và không thể thực hiện được về mặt vật lý, nhưng người ta thường sử dụng nó như một tham chiếu để thể hiện đặc tính hướng tính của anten thực. Anten hướng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vài hướng hơn các hướng còn lại.
Một ví dụ của anten với giản đồ bức xạ hướng tính được thể hiện trong hình2. Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hướng tính trong mặt 𝜋𝜋 phẳng chứa vector H (azimuth plane) với�𝑓𝑓 (𝜙𝜙), 𝜃𝜃 = � và hướng tính trong 2 mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với[𝑔𝑔(𝜃𝜃 ), 𝜙𝜙 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 ] Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 15HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử CBHD: TS. Phan Hồng Phương Hình 2.2: Giản đồ bức xạ vô hướng của một anten [6] Mặt phẳng E được định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trường và hướng bức xạ cực đại”, và mặt phẳng H được định nghĩa là “mặt phẳng chứavector từ trường và hướng bức xạ cực đại”. Trong thực tế ta thường chọn hướngcủa anten thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng vớimộttrong các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z).Một ví dụ được thể hiện trong hình 2.
Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với 𝜙𝜙 = 0) là 𝜋𝜋 mặt phẳng E vàmặt phẳng x-y (với θ = ) là mặt phẳng H 2 Chương 2: Lý thuyết cơ bản về anten 16HVTH: Phạm Lê Nhân Hoàng và array anten Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử CBHD: TS. Phan Hồng Phương Hình 2.3: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [6] Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hướng hay còn gọi làcác thùy (lobe) có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và thùysau.