Chương 1: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ 1.1 Giới thiệu chương Chương này giúp cho chúng ta hiểu về sự hình thành và tính chất của sóng điện từ, hiểu thế nào là trường điện từ và những nguyên lý cơ bản của trường điện từ, sự lan truyền sóng trong các môi trường khác nhau nó khác nhau như thế nào, những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lan truyền sóng và cách khắc phục những yêu cầu đó.2 Sóng điện từ Sóng điện từ hình thành khi có sự dao động điều hòa của một tích điện tích điểm: Khi tại một điểm bất kỳ nào đó có sự dao động điều hòa của một điện tích điểm với tần số f theo phương thẳng đứng nó tạo ra một điện trường biến thiên điều hòa với tần số f, điện trường này lan truyền trong không gian dưới dạng sóng gọi là sóng điện từ. Sóng điện từ là sự lan truyền của điện từ trường biến thiên toàn phần trong không gian theo thời gian.3 Tính chất của sóng điện từ Sóng điện từ lan truyền trong môi trường không khí hay vật chất với vận tốc lan truyền bằng vận tốc của ánh sáng v = c = 3. Sóng điện từ là sóng ngang nên vector từ trường, vector điện trường vưông góc với phương truyền sóng như hình: Sóng điện từ có các tính chất của sóng cơ học: giao thoa, phân xạ, khúc xạ. Sóng điện từ trong thông tin vô tuyến được gọi là sóng vô tuyến.
Sóng cực ngắn có tần số từ 100 MHz đến 1000 MHz được sử dụng nhiều trong truyền hình.4 Nguyên lý cơ bản của trường điện từ và truyền sóng 1.1 Một số nguyên lý cơ bản của trường điện từ Các phương trình liên hệ giữa các đại lượng: Điện trường tính: Từ trường không đổi: Quá trình truyền sóng trong không gian 1.2 Phân loại các loại sóng Sóng cực ngắn (λ = 1m - 10m): Có đặc điểm là không bị tầng điện ly phản xạ và có năng lượng cực lớn. Sóng ngắn (λ = 10m - 100m): Có đặc điểm là bị tầng điện ly và mặt nước phản xạ mạnh và có năng lượng lớn. Sóng trung (λ = 100m - 1000m): Có đặc điểm là vào ban ngày bị tầng điện ly hấp thụ mạnh nên không truyền đi xa và không bị hấp thụ bởi tầng điện y vào ban đêm. Sóng dài (λ = 1km - 10km): Có đặc điểm là có năng lượng nhỏ do không truyền đi xa được, ít hấp thụ của nước nên thường dùng trong thông tin liên lạc ở trên mặt đất và nước.
Truyền sóng trong không gian Truyền sóng mặt đất: Là sự lan truyền dọc theo bề mặt Trái Đất, thì năng lượng truyền dẫn bị tiêu hao. Mức độ tiêu hao phụ thuộc vào các yếu tố sau: Sự hấp thụ của trái đất (phụ thuộc vào hằng số điện dẫn và điện môi hiệu dụng của đất), phụ thuộc vào tần số, tần số càng cao thì suy hao càng mạnh, độ dẫn điện mạnh trên bề mặt biển thì làm cho cường độ tại điểm thu càng mạnh lên. Do đó, trong thực tế khi truyền sóng mặt đất người ta thường chọn sóng có tần số thấp. Truyền sóng trong tầng đối lưu: Tầng đối lưu là lớp khí quyển từ mặt đất lên tới độ cao khoảng (10-15) km.
Càng lên cao, mật độ phân tử khí càng giảm, làm thay đổi phương truyền của các phương sóng. Tầng này thích hợp cho truyền sóng ngắn. Sóng truyền trong tầng này chủ yếu bằng phương thức phản xạ và khúc xạ. Các phương trình liên hệ giữa các đại lượng: Điện trường tính: Từ trường không đổi: Quá trình truyền sóng trong không gian 1.2 Phân loại các loại sóng Sóng cực ngắn (λ = 1m - 10m): Có đặc điểm là không bị tầng điện ly phản xạ và có năng lượng cực lớn.
Sóng ngắn (λ = 10m - 100m): Có đặc điểm là bị tầng điện ly và mặt nước phản xạ mạnh và có năng lượng lớn. Sóng trung (λ = 100m - 1000m): Có đặc điểm là vào ban ngày bị tầng điện ly hấp thụ mạnh nên không truyền đi xa và không bị hấp thụ bởi tầng điện y vào ban đêm. Sóng dài (λ = 1km - 10km): Có đặc điểm là có năng lượng nhỏ do không truyền đi xa được, ít hấp thụ của nước nên thường dùng trong thông tin liên lạc ở trên mặt đất và nước. Truyền sóng trong không gian Truyền sóng mặt đất: Là sự lan truyền dọc theo bề mặt Trái Đất, thì năng lượng truyền dẫn bị tiêu hao.
Mức độ tiêu hao phụ thuộc vào các yếu tố sau: Sự hấp thụ của trái đất (phụ thuộc vào hằng số điện dẫn và điện môi hiệu dụng của đất), phụ thuộc vào tần số, tần số càng cao thì suy hao càng mạnh, độ dẫn điện mạnh trên bề mặt biển thì làm cho cường độ tại điểm thu càng mạnh lên. Do đó, trong thực tế khi truyền sóng mặt đất người ta thường chọn sóng có tần số thấp. Truyền sóng trong tầng đối lưu: Tầng đối lưu là lớp khí quyển từ mặt đất lên tới độ cao khoảng (10-15) km. Càng lên cao, mật độ phân tử khí càng giảm, làm thay đổi phương truyền của các phương sóng.
Tầng này thích hợp cho truyền sóng ngắn. Sóng truyền trong tầng này chủ yếu bằng phương thức phản xạ và khúc xạ. Khái niệm: Trường điện từ là dạng vật chất đặc trưng cho tương tác của các hạt mang điện và là trường mà điện trường và từ trường có tính thông nhất. Các luận điểm trường điện từ của Maxwell: o Luận điểm thứ nhất: Phát biểu: Bất kỳ một trường nào biến thiên theo thời gian cũng sinh ra điện trường xoáy.1) o Luận điểm thứ hai: o Phát biểu: Bất kỳ một điện trường nào biến thiên theo thời gian cũng sinh ra từ trường.2) o Trường điện từ và hệ thống phương trình Maxwell.
o Năng lượng trường điện từ: Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian tạo thành một trường thống nhất gọi là trường điện từ, là một đại lượng vật chất đặc trưng cho các hạt mang điện. Mật độ năng lượng trường từ: o Năng lượng trường điện từ: o Phương trình Maxwell - Faraday Dạng vi phân Chương 1: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ 1.1 Giới thiệu chương Chương này giúp cho chúng ta hiểu về sự hình thành và tính chất của sóng điện từ, hiểu thế nào là trường điện từ và những nguyên lý cơ bản của trường điện từ, sự lan truyền sóng trong các môi trường khác nhau nó khác nhau như thế nào, những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lan truyền sóng và cách khắc phục những yêu cầu đó.2 Sóng điện từ Sóng điện từ hình thành khi có sự dao động điều hòa của một tích điện tích điểm: Khi tại một điểm bất kỳ nào đó có sự dao động điều hòa của một điện tích điểm với tần số f theo phương thẳng đứng nó tạo ra một điện trường biến thiên điều hòa với tần số f, điện trường này lan truyền trong không gian dưới dạng sóng gọi là sóng điện từ. Sóng điện từ là sự lan truyền của điện từ trường biến thiên toàn phần trong không gian theo thời gian.3 Tính chất của sóng điện từ Sóng điện từ lan truyền trong môi trường không khí hay vật chất với vận tốc lan truyền bằng vận tốc của ánh sáng v = c = 3. Sóng điện từ là sóng ngang nên vector từ trường, vector điện trường vưông góc với phương truyền sóng như hình: Sóng điện từ có các tính chất của sóng cơ học: giao thoa, phân xạ, khúc xạ.
Sóng điện từ trong thông tin vô tuyến được gọi là sóng vô tuyến. Sóng cực ngắn có tần số từ 100 MHz đến 1000 MHz được sử dụng nhiều trong truyền hình.4 Nguyên lý cơ bản của trường điện từ và truyền sóng 1.1 Một số nguyên lý cơ bản của trường điện từ Khái niệm: Trường điện từ là dạng vật chất đặc trưng cho tương tác của các hạt mang điện và là trường mà điện trường và từ trường có tính thông nhất. Các luận điểm trường điện từ của Maxwell: o Luận điểm thứ nhất: Phát biểu: Bất kỳ một trường nào biến thiên theo thời gian cũng sinh ra điện trường xoáy.1) o Luận điểm thứ hai: o Phát biểu: Bất kỳ một điện trường nào biến thiên theo thời gian cũng sinh ra từ trường.2) o Trường điện từ và hệ thống phương trình Maxwell. o Năng lượng trường điện từ: Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian tạo thành một trường thống nhất gọi là trường điện từ, là một đại lượng vật chất đặc trưng cho các hạt mang điện.
Mật độ năng lượng trường từ: o Năng lượng trường điện từ: o Phương trình Maxwell - Faraday Dạng vi phân LỜI NÓI ĐẦU Truyền thông vô tuyến đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, theo đó các thiết bị bị đóng dạng trên tế trên ngày càng nhỏ. Để thoả mãn nhu cầu thu nhỏ các thiết bị di động, anten gắn trên các thiết bị đầu cuối cũng phải được thu nhỏ kích thước. Các anten phẳng, chẳng hạn như anten vi dải (microstrip antenna) và anten mạch in (printed antenna), có các ưu điểm nổi trội như: Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo. Giá thành sản xuất thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng.
Để dễ dàng chế tạo anten có thể hoạt động với nhiều dải tần. Anten vi dải đã và đang là sự lựa chọn tối ưu cho các thiết bị di động ngày nay. Trong những năm gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, có nhiều anten phẳng mới được thiết kế thoả mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào hiện nay, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication, 890-960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710-1880 MHz), PCS (Personal Communication System, 1850-1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920-2170 MHz) và đã xuất hiện trong nhiều các tài liệu liên quan. Anten phẳng là rất thích hợp đối với những ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.
Việc mở rộng băng thông thường là nhu cầu đối với các ứng dụng thực tế hiện nay bởi vi anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp. Do đó, việc mở rộng băng thông và giảm kích thước đang là xu hướng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải.
