Tài liệu Lý thuyết chung về Anten ppt

62
LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG

4.1.1 Các chủ đề được trình bày trong chương

- Vị trí của anten trong thông tin vô tuyến
- Các tham số cơ bản của anten
- Các nguồn bức xạ nguyên tố

4.1.2 Hướng dẫn

- Hoc kỹ các phần được trình bày trong chương
- Tham khảo thêm [1], [2]
- Trả lời các câu hỏi và bài tập

4.1.3 Mục đích của chương

- Hiểu được ví trí của anten trong thông tin vô tuyến
- Hiểu về các tham số của anten
- Hiểu về các nguồn bức xạ nguyên tố (các anten đơn giản nhất)

4.2. MỞ ĐẦU

Sóng điện từ có thể truyền dẫn bằng hai phương pháp:
- Truyền dẫn trong các thiết bị định hướng như đường dây song hành, cáp đồng trục, ống
dẫn sang, cáp sợi quang Khi truyền lan trong các hệ thống này sóng điện từ bị giới hạn trong
khoảng không gian của thiết bị và được gọi là sóng điện từ ràng buộc.

- Bức xạ sóng ra không gian để sóng truyền đi trong các môi trường thực và được g
ọi là
sóng điện từ tự do.
Thiết bị dùng để chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc thành sóng điện từ tự do và ngược lại
được gọi là anten. ở chương này ta sẽ xem xét phân tích vai trò , hoạt động, các thông số kỹ thuật
cơ bản của anten.

4.2.1 Vị trí của anten trong thông tin vô tuyến.

Anten là một hệ thống cấu trúc có khả năng bức xạ và thu nhận các sóng điện từ. Anten là
thiết bị không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin vô tuyến điện, bởi vì thông tin vô tuyến


63
sử dụng sóng điện từ bức xạ ra không gian để truyền lan từ nơi phát đến nơi thu.Một hệ thống
truyền dẫn vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu (hình 4.1).
Ở nơi phát, sóng điện từ cao tần được truyền dẫn từ máy phát đến anten thông qua hệ
thống fidơ dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiện vụ biến đổi sóng điện từ ràng
buộc trong fidơ thành sóng từ tự do bức xạ ra không gian. Cấu tạo của anten quyết định đặc tính
biến đổi năng lượng điện từ nói trên. Tại nơi thu, anten thu làm nhiệm vụ ngược lại với anten phát,
nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện
từràng buộc. Sóng này sẽ được truyền theo fidơ tới máy thu.

Yêu cầu của thiết bị anten - fidơ là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng sóng
điện từ với hiệu suất cao nhất và không gây méo dạng tín hiệu.
Anten sử dụng trong các hệ thống thông tin khác nhau phải có những yêu cầu khác nhau.
Trong các hệ thống thông tin quảng bá như phát thanh, truyền hình, thì yêu cầu anten phải có
bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất) để cho mọi hướng
đều có thể thu được tín hiệu
của đài phát. Nhưng trong mặt phẳng thẳng đứng anten lại phải có bức xạ định hướng sao cho
hướng cực đại trong mặt phẳng này song song với mặt đất, để máy thu thu được tín hiệu lớn nhất
và giảm được năng lượng bức xạ hướng không cần thiết, giảm được công suất máy phát, giảm
được can nhiễu. Tuy nhiên, trong các hệ thống thông tin vô tuyến đi
ểm tới điểm như hệ thống
thông tin vi ba, thông tin vệ tinh, rađa yêu cầu anten anten bức xạ với tính hướng cao, nghĩa là
sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian.
Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ đơn thuần là chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc
thành sóng điện từ tự do và ngược lại mà phải bức xạ sóng điện từ theo nhữ
ng hướng nhất định
với các yêu cầu kỹ thuật đề ra.
Anten có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, thường theo các cách phân loại sau:
- Công dụng của anten: Anten có thể được phân thành anten phát, anten thu hoặc anten
phát + thu dùng chung. Thông thường anten làm nhiện vụ cho cả phát và thu.
- Dải tần công tác của anten: Anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóng ngắn và anten
sóng cực ngắn.
- Cấu trúc của anten:
- Đồ thị phương hướng của anten: anten vô hướng và anten có hướng
- Phương pháp cấp điện cho anten: anten đối xứng, anten không đối xứ
ng

Đầu
ra

nhận
tin
Nguồn
tin
Thiết bị
xử lý
tín hiệu
Máy
phát
Máy
thu
Thiết bị
xử lý
tín hiệu
Anten phát
Anten thu
Hình 4.1. Hệ thống truyền tin đơn giản


64
4.2.2 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ

Về nguyên lý, bất kỳ một 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.
Ví dụ xét một mạch dao động L, C như chỉ ra trong hình 4.2a, nếu đặt vào một sức
điện

động biến đổi thì giữa hai má tụ sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn không gian trong lòng
cuộn dây sẽ phát sinh từ trường biến thiên. Nhưng trường điện từ này hầu như không bức xạ ra
bên ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử của mạch. Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo
đường ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ, nên năng lượng điệ
n trường bị giới hạn
trong khoảng không gian ấy. Còn năng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong lòng cuộn dây.
Năng lượng của toàn bộ hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong dây dẫn của
cuộn cảm và tổn hao trong chất điện môi trong tụ điện.


Hình 4.2. Quá trình bức xạ sóng điện từ

Nếu mở rộng khoảng cách giữa hai má tụ điện như chỉ trong hình 4.2b thì dòng điện dịch
được biểu thị trùng với đường sức điện trường, sẽ không dịch chuyển trong khoảng không gian
giữa hai má tụ điện mà mộ bộ phận sẽ lan toả ra môi trường bên ngoài và có thể truyền tới những
điểm khá xa nguồn (ngu
ồn sinh ra điện trường chính là các điện tích trên hai má tụ điện).
Tiếp tục mở rộng khoảng cách giữa hai má tụ điện như hình 4.2c thì dòng điện dịch sẽ lan
toả càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên
ngoài. Điện trường biến thiên được truyền lan với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới một khoảng cách
khá xa nguồ
n, chúng sẽ tự khép kín và không bị ràng buộc bởi nguồn, nghĩa là không còn liên hệ
với điện tích trên hai má tụ điện nữa. Còn các đường sức ở gần tụ điện không tự khép mà bắt
nguồn từ điện tích dương trên má tụ và kết thúc ở má tụ có điện tích âm. Do đó giá trị của điện
trường ở những điểm nằm trên đường sức ấ
y sẽ biến thiên theo sự biến thiên của điện tích trên hai
má tụ điện. Còn những điểm ở cách xa nguồn, ví dụ tại điển M có thể đạt một giá trị nào đó trong


65

lúc điện tích trên hai má tụ điện lại biến đổi qua giá trị không. Các đường sức tự khép kín, nghĩa
là đã hình thành một điện trờng xoáy. Theo quy luật biến thiên (được biểu thị bởi các phương
trình Maxwell) thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường biến đổi lại tạo ra
một điện trường xoáy, nghĩa là hình thành quá trình truyền lan sóng điệ
n từ.
Trường điện từ thoát khỏi sự ràng buộc của nguồn, tự nó khép kín gọi là trường điện từ tự
do, năng lượng của trường điện từ này gọi là năng lượng bức xạ. Phần năng lượng này là năng
lượng có ích và được sử dụng cho thông tin vô tuyến.
Trường điện từ bị ràng buộc bởi nguồn gọi là trường
điện từ ràng buộc. Năng lượng của
trường điện từ này gọi là năng lượng vô công.
Vậy một thiết bị bức xạ điện từ là thiết bị trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có
khả năng thâm nhập

4.3 CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN

Để đánh giá, lựa chọn hoặc sử dụng tốt một anten phải dựa trên những đặc tính và tham số
của nó. Dưới đây là những đặc tính và tham số cơ bản của anten.

4.3.1 Hàm tính hướng

Khi sử dụng anten ta cần biết anten đó bức xạ vô hướng hay có hướng, và ở hướng nào
anten bức xạ là cực đại, hướng nào anten không bức xạ để có thể đặt đúng vị trí anten. Muốn vậy
ta phải biết tính hướng của anten đó. Một trong các thông số đặc tả hướng tính của anten là hàm
tính hướng.
Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trườ
ng bức xạ của anten theo
các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi, được ký hiệu là f(θ,φ).
Hàm tính hướng được thể hiện ở các dạng sau:
Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng là hàm véc tơ phức, bao gồm các thành phần

theo θ và φ
()
(
)
(
)
,, ,
f
fifi
θ
θϕ ϕ
θ
ϕθϕ θϕ
=+
(4.1)

Hàm tính hướng biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tương đối của biên độ cường độ trường
bức xạ theo các hướng khảo sát khi cự ly khảo sát không đổi, đó chính là biên độ của hàm tính
hướng phức (cụ thể hơn là modun của hàm tính hướng phức).

() () ()
2
2
,,,fff
θϕ
θ
ϕθϕθϕ
=+
(4.2)
Để đơn giản cho việc khảo sát tính hướng của một anten cũng như thiết lập và phân tích đồ

thị phương hướng ta thường dùng một hàm biên độ chuẩn hóa, là hàm số biểu thị biên độ cường
độ trường ở hướng khảo sát trên biên độ cường độ trường ở hướng cực đại.
()
(
)
()
ax
,
,
,
m
f
F
f
θ
ϕ
θϕ
θϕ
=
(4.3)


66
Như vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1.

4.3.2 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng

Hàm tính hướng cho biết giá trị cụ thể của tính hướng một anten, nhưng muốn cảm nhận
được bằng trực thị tính hướng của một anten ta phải sử dụng đồ thị. Đồ thị phương hướng được vẽ
bởi hàm tính hướng.

Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc công suất
bức xạ
của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố định (tính từ anten).
Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian ba chiều (có dạng hình khối) nhưng rất
khó để hiển thị một cách đầy đủ. Thông thường, đồ thị phương hướng là một mặt cắt của đồ thị
hướng tính ba chiều. Đó là đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực ho
ặc trong hệ tọa độ
vuông góc, loại đồ thị có thể hiển thị dễ dàng trên giấy (hình 4.3).
Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa và
được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa của anten. Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng
của các anten khác nhau.
Từ đồ thị phương hướng trên hình 4.3 nhận thấy rằng, giá trị trường b
ức xạ biến đổi theo sự
biến đổi của các góc phương hướng khác nhau. Vì vậy để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng
của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là độ
rộng búp sóng. Độ rộng búp sóng được xác định bởi góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó
cường độ trường hoặc công suất bức xạ
giảm đi một giá trị nhất định. Có nhiều cách đánh giá độ
rộng búp sóng, thường thì độ rộng búp sóng nửa công suất được sử dụng. Độ rộng búp sóng nửa
công suất là góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với
công suất bức xạ cực đại. Nếu tính theo giá trị của cường độ điện trường thì độ rộ
ng búp sóng này
ứng với góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ điện trường giảm đi
2
lần so với
giá trị cực đại. của anten trong tọa độ cực
Nếu tính theo đơn vị decibel (dB), khi công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứng với công
suất sẽ giảm 3 dB. Bởi vậy độ rộng búp sóng nửa công suất còn được gọi là độ rộng búp sóng 3
dB, ký hiệu là θ
3dB

(hình 4.5).
Như vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xạ theo một hướng
nào đó, nếu góc θ
3dB
càng bé thì anten đó tập trung công suất bức xạ càng mạnh.




67


Hình 4.3. Ví dụ đồ thị phương hướng
trong hệ tọa độ cực
Hình 4.4. Ví dụ đồ thị phương hướng
trong hệ tọa độ vuông góc

0
180
0
0
0
90
2/
max
P
2/
max
P
max

P
)(2
3
2
1 dB
θ
θ
0
2
θ

Hình 4.5. Độ rộng của đồ thị phương hướng

4.3.3 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten

Công suất đặt vào anten P
A
do máy phát đưa trực tiếp đến anten hoặc thông thường qua
fidơ cung cấp cho anten. Trong quá trình chuyển đổi năng lượng cao tần từ máy phát thành năng
lượng bức xạ sóng điện từ không thể tránh các tổn hao do nhiệt bởi vật dẫn, chất điện môi của
anten, và phần mất mát do cảm ứng và che chắn bởi các linh kiện phụ như thanh đỡ bộ chiếu xạ,
bản thân bộ chiếu xạ… Vì v
ậy, công suất là bao gồm cả công suất tổn hao P
th
và công suất bức xạ
P
bx
.
A
bx th

P
PP=+ (4.4)

Một cách hình thức ta có thể coi công suất bức xạ của anten tương tự như công suất tiêu
hao trên một điện trở tương đương R
bx
nào đó. Khi ấy ta có thể viết

(
)
2
Abxth
PIRR=+
(4.5)
-60 -30
30
θ
o
0,25
0,50
0,75
1,0
090
-90
60


68
Đại lượng R
bx

được gọi là điện trở bức xạ của anten, nó chỉ mang tính chất tượng trưng và
ở một mức độ nào đó có thể dùng để đánh giá khả năng bức xạ của anten.
Anten được coi là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc
trưng của nó là hiệu suất làm việc. Hiệu suất của anten, η
A
, chính là tỷ số giữa công suất bức xạ,
P
bx
và công suất máy phát đưa vào anten, (P
A
)
bx
A
A
P
P
η
=
(4.6)
Hay
bx bx
A
bx th bx th
PR
P
PRR
η
==
++
(4.7)

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten. Thông thường
hiệu suất của anten luôn nhỏ hơn 1.

4.3.4 Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại của anten

Anten có nhiều loại, kết cấu hình dáng và kích thước của chúng rất đa dạng. Để biểu thị
tính hướng của mỗi anten, ngoài các thông số về độ rộng búp sóng người ta đưa vào hệ số hướng
tính (còn gọi là hệ số phương hướng) và hệ số khuếch đại (còn gọi là hệ số tăng ích hay độ lợi).
Các hệ số đó cho phép đánh giá tính phương hướng và hiệu quả bức x
ạ của anten tại một điểm xa
nào đó của trường bức xạ trên cơ sở các biểu thức hoặc đồ thị so sánh với anten lý tưởng (hoặc
anten chuẩn). Như vậy việc so sánh các anten với nhau và lựa chọn loại anten thích hợp cho tuyến
thông tin cần thiết trở nên dễ dàng.
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất làm việc 100% và năng lượng bức xạ sóng điện từ
đồng đều ở
tất cả các hướng. Anten lý tưởng được xem như nguồn bức xạ vô hướng hoặc một
chấn tử đối xứng nửa bước sóng.
- Hệ số hướng tính
Hệ số hướng tính của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của
anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩ
n ở cùng hướng với khoảng
cách không đổi, với điều kiện công suất bức xạ của hai anten là như nhau.

()
(
)
0
,
,

S
D
S
θ
ϕ
θϕ
= (4.8)
Trong đó
D(θ,φ) là hệ số hướng tính của anten khảo sát ở hướng (θ,φ) với khoảng cách r.
S(θ,φ) và S
0
là mật độ công suất bức xạ của anten khảo sát ở hướng (θ,φ), khoảng
cách r và mật độ công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.
Như đã đề cập ở chương 1, công thức (1.12) và (1.13) ta có thể rút ra công thức

()
(
)
2
2
0
,
,
E
D
E
θ
ϕ
θϕ
=

(4.9)
(θ,φ) t
xét.

chuẩn
anten
ở
không
hướn
g

trong
t
việc (
h
xạ nă
n
Chính


Lưu ý
dùng
c

công t
h

Trong đó
E
ại khoảng c

á
Mặt khác t
ừ

Biên độ c
ư
hóa và giá t
r
Do đó từ (
4
D
max
: hệ s
ố
- Hệ số
k
Hệ số khu
ế
ở
hướng đó
đổi, với điề
g
) có hiệu su
ấ
Như vậy
h
t
hực tế kỹ th
u
h

iệu suất) củ
n
g lượng tậ
p
vì vậy mà n
ó

Hình 4.6.
Đ

r
ằng, ta thư
ờ
c
ác kí hiệu D
Hệ số hướ
n
h
ức (4.8), (4
E
(θ,φ) và E
0

l
á
ch r và giá t
ừ
các công t
h
(

,D
θϕ
ư
ờng độ trư
ờ
r
ị cường độ t
r

(
,
E
θϕ
4
.10) và (4.1
1
(
,
D
θϕ
ố
hướng tính
k
huếch đại
c
ế
ch đại của
trên mật độ
u kiện công
ấ

t bằng 1.
(
,G
θ
ϕ
h
ệ số khuếch
u
ật, nó đặc t
r
a anten. Hệ
p
trung về h
ư
ó
còn được
c
Đ
ồ thị phư
ơ
ờ
ng chọn ph
ư
và G, đó ch
í
n
g tính và h
ệ
.9), (4.13) c
ó

l
à giá t
r
ị
b
iê
n
r
ị biên độ c
ư
h
ức (1.10) v
à
)
(
)
2
b
,
ZP
E
θ
ϕ
ϕ
=
ờ
ng tại một
h
r
ường ở hướ

n
)
ax
.
m
E
F
ϕ
=
1
) ta có
)(
2
axm
DF
θ
=
ở hướng cự
c
c
ủa anten
anten ở hướ
n
công suất b
ứ
suất đưa và
o
)
(
0

,
A
S
S
θϕ
η
=
đại của ant
e
r
ưng cho an
t
số khuếch đ
ạ
ư
ớng được
c
c
ó thể được
g

n
g hướng c
ủ
ư
ơng chuẩn
l
í
nh là hệ số
h

ệ
số khuếch
đ
ó
dạng
n
độ cường
đ
ư
ờng độ điệ
n
à
(1.11) ta có
)
2
b
x
.2 r
π

h
ướng bất k
ỳ
n
g bức xạ c
ự
()
,
F
θϕ

)
,
θ
ϕ

c
đại.
n
g đã cho l
à
ứ
c xạ của a
n
o
của hai an
t
)
(
,
A
D
ϕ
ηθ
=
e
n là một k
h
t
en cả về đặc

ạ
i của anten
c
họn và giả
m
g
ọi là hệ số t
ă
ủ
a anten o
m
l
à phương b
ứ
h
ướng tính v
à
đ
ại thường
đ
đ
ộ điện trườ
n
n
trường của
a

ỳ
có quan h
ệ

ự
c đại theo b
i
à
tỷ số giữa
n
ten chuẩn ở
t
en là như n
h
)
,
ϕ

h
ái niệm đầ
y
tính bức xạ
cho thấy rằ
n
m
năng lượ
n
ă
ng ích hay
đ
m
ni-directio
n
ứ

c xạ cực đại
à
hệ số khuế
c
đ
ược biểu di
ễ
n
g của anten
a
nten vô hư
ớ

ệ
với hàm tí
n
i
ểu thức


mật độ côn
g
cùng hướn
g
h
au và ante
n

y
đủ hơn và

(hướng tính
)
n
g anten có
h
n
g bức xạ ở
đ
ộ lợi của an
t
n
al và anten
của anten n
ê
c
h đại ở hướ
n
ễ
n theo đơn
v
khảo sát ở h
ớ
ng tại cùng
(4.10)
n
h hướng bi
ê
(4.11)
(4.12)
g

suất bức x
ạ
g
với khoảng
n
chuẩn (ant
e
(4.13)
được dùng
n
)
và khả năn
g
h
ướng tính s
ẽ
các hướng
k
t
en.
có hướng
ê
n sau này k
h
n
g bức xạ c
ự
v
ị dB. Lúc đ

ướng
điểm
ê
n độ
ạ
của
cách
e
n vô
n
hiều
g
làm
ẽ
bức
k
hác.
h
i chỉ
ự
c đại.
ó các


70
D(dBi) = 10lgD = 10lgS – 10lgS
0
(4.14a)
Hay D(dBi) = 20lgE – 20lgE
0

(4.14b)
G(dBi) = 10lgG = 10lgη
A
S – 10lgS
0
(4.15)

4.3.5 Trở kháng vào của anten

Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu trực tiếp hay qua fidơ, anten sẽ trở thành tải
của máy phát hoặc máy thu. Trị số của tải này được đặc trưng bởi một đại lượng gọi là trở kháng
vào của anten. Trong trường hợp tổng quát, trở kháng vào là một đại lượng phức bao gồm cả phần
thực và phần kháng, được xác định bằng tỷ số giữa điện áp đầu vào của anten và dòng đi
ện đầu
vào
a
vA vA vA
a
U
Z
RjX
I
==+
(4.16)
Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten, điểm
và phương tiếp điện cho anten.
Thành phần thực của nó bao gồm điện trở bức xạ và phần điện trở tổn hao (như đã đề cập
trong mục 4.3.3). Thành phần ảo của nó biểu thị phần công suất vô công không bức xạ ra ngoài.

4.3.6 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống thông tin vô tuyến, ví dụ trong thông tin vệ tinh, công suất bức xạ
của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳng hướng tương
đương, ký hiệu là EIRP. Công suất này được định nghĩa:
EIRP
TT
P
G= (W) (4.17)
Trong đó P
T
là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và G
T
là hệ số khuếch đại của
anten phát. Chú ý rằng, nếu bỏ qua suy hao fiđơ nối từ máy phát đến anten thì P
A
= P
T
.
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương là công suất phát được bức xạ với anten vô
hướng, trong trường hợp này có thể coi G
T
= 1.
Biểu thức EIRP cũng có thể tính theo đơn vị decibel
(
)
EIRP(dBw) 10lg
TT
PG=

Hay

()
(
)
(
)
EIRP dBw w
TT
PdB GdBi=+
(4.18a)
Hay
EIRP(dBm) 10lg 10lg
0,001
T
T
P
G=+
(4.18b)

Ví dụ 4.1.
Một máy phát có công suất là 100 W nối với anten có hệ số khuếch đại là 10. Hãy xác
định công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, tính theo W, dBW, dBm.
Giải: Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, EIRP, tính theo (4.17), (4.18a) và (4.18b) là:

EIRP 100.10 1000
TT
PG== = (W)


71

(
)
EIRP(dBw) 10lg 10lg1000 30
TT
PG===
(dBW)

1000
EIRP(dBm) 10lg 60
0, 001
==
(dBm)
Ví dụ 4.2.
Một anten phát có trở kháng bức xạ là 73 Ω, trở kháng tổn hao của anten là 8 Ω, hệ số
hướng tính là 20 và công suất máy phát đưa vào anten là 100 W. Hãy xác định:
a, Hiệu suất làm việc của anten
b, Hệ số khuếch đại của anten (dBi)
c, Công suất bức xạ và công suất bức xạ đẳng hướng tương đương theo W, dBW và dBm
Giải
a, Hiệu suất làm việc của anten, theo công thức (4.7)
72
100 90%
72 8
bx
A
bx th
R
RR
η
== =

++

b, Hệ số khuếch đại của anten, theo (4.15)

0,9.20 18
( ) 10lg18 12,55
A
GD
GdBi
η
== =
==

c, Công suất bức xạ (chưa có tính hướng)

0,9.100 90
bx A A
PP
η
== =(W)

(w)10lg9019,54
bx
PdB ==(dBW)

90
( ) 10lg 49,54
0,001
bx
PdBm==(dBm)

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương theo (4.17), (4.18a) và (4.18b) là:

EIRP 100.18 1800
TT
PG== = (W)

EIRP(dBw) 10lg1800 32,55==
(dBW)

1800
EIRP(dBm) 10lg 62,55
0, 001
==
(dBm)

4.3.7 Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng

Khi anten làm việc ở chế độ thu, công suất hay sức điện động cảm ứng lên anten sẽ phụ
thuộc vào năng lượng trường điện từ do phía phát tạo ra tại nơi đặt anten thu và khả năng làm việc
của anten thu. Khả năng làm việc của anten thu được biểu thị bởi một tham số gọi là diện tích hiệu
dụng hoặc chiều dài hiệu dụng của anten. Nếu anten là anten b
ức xạ mặt thì công suất thu được tại
anten sẽ là tích của mật độ thông lượng công suất với diện tích hiệu dụng của anten thu.
Diện tích hiệu dụng được xác định bởi biểu thức:
.
eA
A
A
η
= (4.19)

Trong đó A là diện tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten, η
A
là hiệu suất làm việc
của anten.


72
Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng và hệ số khuếch đại của anten thu được biểu thị bởi biểu
thức
2
.
4
R
e
G
A
λ
π
=
(4.20)
Trong đó A
e
là diện tích hiệu dụng của anten (m)
G
R
là hệ số khuếch đại của anten thu
λ là bước sóng công tác (m)
Tương tự đối với các anten dây, chấn tử đối xứng… biểu thị bằng chiều dài hiệu dụng.
Nếu cường độ điện trường tại điểm đặt anten thu là E
h

(V/m) thì sức điện động cảm ứng lên anten
sẽ là
.
A
eh
lE
ε
=
(V) (4.21)
e
l của anten phụ thuộc vào chiều dài thực của anten và bước sóng công tác, hay nói cách khác
phụ thuộc vào chiều dài tương đối
l
λ
của anten đó.

4.3.8 Dải tần công tác của anten

Dải tần công tác của anten là khoảng tần số làm việc của anten mad trong khoảng tần số
đó các thông số của anten không thay đổi hoặc thay đổi trong phạm vi cho phép.
Thường dải tần công tác của anten được phân làm bốn nhóm:
- Anten dải hẹp
0
10%
f
f
Δ
<
tức
ax

min
1,1
m
f
f
<

- Anten dải tần tương đối rộng
0
10% 50%
f
f
Δ
<<
tức
ax
min
1,1 1, 5
m
f
f
<<

- Anten dải rộng
ax
min
1,1 1, 5
m
f
f

<<

- Anten dải rất rộng
ax
min
4
m
f
f
>

Trong đó
ax minm
f
ffΔ= − và f
o,
f
max
, f
min
là tần số trung tâm, tần số cực đại và tần số cực
tiểu của dải tần.

4.3.9 Hệ số bảo vệ của anten

Để giảm can nhiễu ra các hệ thống khác, đồng thời làm tăng tính hướng của anten trong
các hệ thống thông tin vô tuyến, anten yêu cầu phải có bức xạ ở hướng cực đại lớn hơn một giá trị


73

nào đó so với các hướng bức xạ khác. Giá trị yêu cầu này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào đặc điểm của
từng hệ thống thông tin và phương bức xạ phụ so với phương bức xạ cực đại. Thường thì khi
phương bức xạ phụ càng gần phương bức xạ cực đại thì giá trị này càng lớn. Tính chất đó của
anten được biểu thị bởi mộ
t hệ số gọi là hệ số bảo vệ, K
bv
, bằng tỷ số bình phương cường độ điện
trường tạo bởi anten ở hướng bức xạ cực đại trên bình phương cường độ điện trường ở hướng
đang xét. Công thức:
() ()
2
ax ax
2
,G,
mm
bv
EG
K
E
θ
ϕθϕ
==
(4.22)
Khi tính theo đơn vị dB ta có
(
)
(
)
ax
20 lg 20 lg ,

bv m
KdB E E
θ
ϕ
=−
(4.23a)
Hay
()
(
)
(
)
(
)
ax
,
bv m
K dB G dBi G dBi
θϕ
=−
(4.23b)

4.4 CÁC NGUỒN BỨC XẠ NGUYÊN TỐ

Theo lý thuyết về trường bức xạ thì các anten bức xạ sóng điện từ có thể được xem là tập
hợp của các nguồn bức xạ đơn giản. Vì vậy khi nghiên cứu các loại anten phức tạp có thể dựa trên
cơ sở nghiên cứu các anten nguyên tố đơn giản.

4.4.1 Dipol điện

Dipol điện là phần tử dẫn diện thẳng, rất mảnh, có độ dài rất nhỏ so với bước sóng công
tác (
l
<< λ), trên đó có dòng điện mà biên độ và pha được xem là đồng đều ở mọi điểm. Phân bố
dòng điện trên dipol và các đường sức điện trường, từ trường do dipol gây ra được chỉ trong hình
4.7a.











Hình 4.7 a) Phân bố dòng và trường của dipol điện; b) Hình vẽ tính bức xạ của dipol điện

Khảo sát trường bức xạ của dipole điện.
x
z
I
e
r

θ
k
H
ϕ

E
θ
ϕ

y
b)

a)

H
ϕ
E
θ
I
I
e
I
e

l
E
θ
H
ϕ
I
e


74
Đặt dipol vào trong hệ tọa độ cầu có tâm O trùng với tâm của dipol và chiều dài của chấn tử

hướng theo trục z (hình 4.7b). Trường điện từ tại một điểm M bất kỳ trên hình cầu có tọa độ
M(r,θ,ϕ) sẽ được xác định bởi các biểu thức sau:

sin ( / )
4
0
0
sin
4
ikr
e
ikr
e
ikZ e
EIl iVm
r
E
H
ik e
HIl i
r
θθ
ϕ
θ
ϕϕ
θ
π
θ
π
−

−
=
=
=
=
(4.24)
Trong đó: k = 2π/λ là hệ số sóng
Z: là trở kháng sóng của môi trường truyền lan. Trong không gian tự do Z = 120 π (Ω)
I
e
: là dòng điện trong dipol điện
R: là khoảng cách từ tâm O dến điểm khảo sát M

l
: chiều dài của dipol
θ,ϕ: là các góc của hệ tọa độ cầu
Nếu thay giá trị của k và Z
0
vào biểu thức (4.22) ta nhận được
60
sin
0; 0
sin
2
ikr
e
ikr
e
ie
EIl i

r
EH
ie
HIl i
r
θ
θ
ϕθ
ϕϕ
π
θ
λ
θ
λ
−
−
=
==
=
(4.25)

Từ các công thức trên có nhận xét:
- Trường bức xạ của dipol điện là trường phân cực đường thẳng. Mặt phẳng điện trường là
mặt phẳng chức trục dipol còn mặt phẳng từ trường là mặt phẳng vuông góc với trục của dipol.
Tại mỗi điểm khảo sát các véc tơ
E
θ
và
H
ϕ

đều có góc pha giống nhau nên năng lượng
của trường bức xạ là năng lượng thực.
- Hàm tính hướng tổng quát của dipol điện sẽ là:
(
)
,sin
e
f
ZI l i
θ
θ
ϕθ
=−
(4.26)
Hàm tính hướng biên độ :

(
)
,sin
e
fZIl
θ
ϕθ
=
(4.27)
Hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa:


(
)

sinF
θ
θ
=
với ϕ = const (4.28)

(
)
onstFc
ϕ
=
với θ = const


75
Như vậy hàm tính hướng của dipol chỉ phụ thuộc vào góc θ mà không phụ thuộc vào góc
ϕ, nghĩa là trường bức xạ của dipol điện có tính hướng trong mặt phẳng E và vô hướng trong mặt
phẳng H. Nếu chỉ xét một mặt phẳng đi qua tâm của dipol điện thì ở mọi phương khảo sát trong
mặt phẳng đó đều có góc θ = 90
0
nên hàm tính hướng trong mặt phẳng H sẽ là
(
)
1F
ϕ
=
.
- Đồ thị phương hướng của đipol điện được cho ở hình sau:

Hình 4.8. Đồ thị phương hướng của dipol điện

- Công suất bức xạ của đipol điện được xác định bằng cách tích phân
()
2
2
2
00
22
2
3
0
11

E x H sin
22
sin
43
e
bx
s
ee
E
PdSdrd
Z
ZI l ZI
l
d
ππ
θ
π
ϕθθ
ππ
θθ
λ
λ
⎛⎞
==⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎛⎞
==
⎜⎟
⎝⎠

∫∫∫
∫
(4.29)
- Điện trở bức xạ của dipol điện

(4.30)

Như vậy điện trở bức xạ phụ thuộc vào chiều dài tương đối
l
/λ của dipol và các thông số
của môi trường.
2
2
3
e
bx
Z
l
R
π
λ
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
c) Tọa độ vuông góc
1,0
0,8
0,6
0,4

1,0
0,8
0,6
0,4
360
0
0
0
180
0
360
0
0
0
180
0
ϕ
0
θ
0
F
(
ϕ
)
F
(
θ
)

a) Trong không gian

x
y
z
b) Tọa độ cực
θ
ϕ

E
θ

F(
θ
);
ϕ
= const
F(
ϕ
) = 1;
θ
= const


76
- Hệ số hướng tính của dipol điện được xác định bằng cách thay P
bx
trong công thức (4.29)
vào công thức (4.10) ta được :


(4.31)

4.4.2 Dipol từ

Tương tự như dipole điện, dipol từ là một phần tử dẫn từ thẳng rất mảnh, có chiều dài nhỏ
hơn nhiều so với bước sóng công tác, trên đó có dòng từ có phân bố biên độ và pha đồng đều ở tất
cả mọi điểm.
Khảo sát trường bức xạ của dipol từ tương tự như dipol điện, ta thu được biểu thức sau

0
sin
4
sin
4
0
ikr
m
ikr
m
E
ik e
EIl i
r
ik e
HIl i
Zr
H
θ
ϕ
ϕ
θ

θ
ϕ
θ
π
θ
π
−
−
=
=−
=
=
(4.32)













Hình 4.9 a) Phân bố dòng và trường của dipol từ
b) Hình vẽ tính bức xạ của dipol từ

Trong thực tế không có dòng từ mà chỉ có dòng từ tương đương, nghĩa là chỉ có phần tử

trên đó tồn tại thành phần tiếp tuyến của điện trường.
()
2
ax
3
,sin
2
3/2
m
D
D
θ
ϕθ
=
=
x

z

I
m
r

θ
k
E
ϕ
H
θ
ϕ

y
b)

I
m

l
E
ϕ
H
θ
I
m
a)

H
θ
E
ϕ
I
m


77
So sánh các công thức (4.24) và (4.32) ta thấy, khi điện trường bức xạ của dipol điện có
giá trị bằng điện trường bức xạ của dipol từ thì dòng từ của dipol từ phải có giá trị gấp Z lần dòng
điện của dipole điện, nghĩa là


Nếu mômen điện và mô men từ của hai dipol bằng nhau thì trường tạo ra bởi dipol từ sẽ nhỏ hơn

trường tạo ra bở
i dipol điện Z lần, điều đó có nghĩa công suất bức xạ của dipol từ nhỏ hơn công
suất bức xạ của dipol điện Z
2
lần. Công suất bức xạ cảu đipol điện được xác định:

22
2
22
32
mem
e
bx
m
bx
bx
IRI
P
l
P
ZZ Z
π
λ
⎛⎞
== =
⎜⎟
⎝⎠
(4.33)
Điện dẫn bức xạ của dipol từ
2

2
2
3
e
m
bx
bx
R
l
G
ZZ
π
λ
⎛⎞
==
⎜⎟
⎝⎠
(4.34)

4.4.3 Nguyên tố bức xạ hỗn hợp

Nguyên tố bức xạ hỗn hợp là phần tử bức xạ bao gồm một dipol điện đặt vuông góc với
một dipol từ, hình 4.10, trong đó dipol điện đặt theo trục x có dòng điện I
e
x
, còn dipol từ đặt theo
trục y, có dòng từ I
m
y
. Giả sử độ dài của hai dipol bằng nhau và bằng

l
còn quan hệ biên độ giữa
dòng điện và dòng từ được xác định bởi biểu thức


(4.35)

Trong đó a là hệ số thực hoặc số phức, Z là trở kháng sóng của môi trường.











me
IZI
=
m
y
e
x
I
aZ
I
=

M(
θ
,
ϕ
)

I
e
x

x
z
I
m
y

r

θ
ϕ

y
Hình 4.10. Nguyên tố bức xạ hỗn hợp



78
Tại mọi điểm khảo sát trong không gian, trường bức xạ của nguyên tố hỗn hợp sẽ bao
gồm đủ cả bốn thành phần E
θ

,

E
ϕ
, H
θ
,

H
ϕ
.Thành phần điện trường bức xạ ở khu xa được xác định
như sau:
()
()
os os +a
4
sin 1 os
4
ikr
e
x
ikr
e
x
ikZ e
EIlcc i
r
ikZ e
EIl ac i
r

θ
θ
ϕ
ϕ
ϕθ
π
ϕθ
π
−
−
=−
=+
(4.36)

Ta rút ra được biểu thức đối với các thành phần của hàm tính hướng là:

(
)
(
)
() ( )
,osos+a
,sin1os
e
x
e
x
fZIlcci
f
ZI l ac i

θθ
ϕ
ϕ
θϕ ϕ θ
θ
ϕϕθ
=
=− +
(4.37)
Dấu (-) có nghĩa là hàm tính hướng f
ϕ
có chiều ngược với vectơ đơn vị i
ϕ
.
Vì modun của các hàm tính hướng thành phần đều có cực đại bằng ZI
e
(1+a) nên hàm tính hướng
biên độ chuẩn hóa sẽ là:
()
(
)
()
()
os os +a
,
1
sin 1 os
,
1
cc

F
a
ac
F
a
θ
ϕ
ϕθ
θϕ
ϕ
θ
θϕ
=
+
+
=
+
(4.38)
Với a = 1 ta có
()
(
)
()
()
os os +1
,
2
sin 1 os
,
2

cc
F
c
F
θ
ϕ
ϕθ
θϕ
ϕ
θ
θϕ
=
+
=
(4.39)
Nếu xét trong mặt phẳng ϕ = const, các mặt phẳng đi qua trục z, đồ thị phương hướng có
dạng đường cardiôit với cực đại theo hướng θ = 0 và bằng không theo hướng θ = π, (hình 4.11).
Trong không gian đồ thị là một hình cardiôit tròn xoay.
Từ đồ thị phương hướng ta thấy rằng nguyên tố bức xạ hỗn hợp chỉ bức xạ năng lượng
cực đại về một hướ
ng. Hướng bức xạ cực đại được xác định bởi hướng của tích vec tơ (I
e
xI
m
).
Nguyên tố bức xạ hỗn hợp được gọi là nguyên tố bức xạ đơn hướng. Hệ số hướng tính của nguyên
tố hỗn hợp được xác định theo công thức:
()
()
2

3os+1
,
4
c
D
θ
θϕ
= (4.40)







z
y
x
θ
z


79


Hỡnh 4.11. th phng hng ca nguyờn t bc x hn hp
4.5 TNG KT

Chng ny ó xột cỏc vn chung v lý thuyt anten. Anten l thit b khụng th thiu
trong cỏc h thng thụng tin vụ tuyn. Anten phỏt lm nhim v bc x súng in t (tc l

chuyn i súng in t rng buc thnh súng in t t do) truyn n
im thu. Anten thu s
thu nhn súng in t trong khụng gian t do chuyn thnh súng in t rng buc a v mỏy
thu. ỏnh giỏ, la chn hoc s dng tt mt anten phi da trờn nhng c tớnh v tham s
ca nú. Do ú, trong chng cng xem xột tt c cỏc tham s c bn c trng cho mt anten nh
hm tớnh hng, th phng hng,
rng bỳp súng, cụng sut bc x, h s hng tớnh, h
s khuch i . Ngoi ra cũn cp n cỏc ngun bc x nguyờn t l c s nghiờn cu cỏc
loi anten phc tp ú l cỏc dipole in, dipole t, v nguyờn t bc x hn hp.

4.6 CU HI V BI TP

1. Nờu v trớ ca anten trong thụng tin vụ tuyn?
2. Thế no l hm tính hớng của anten?
3. Độ rộng búp sóng của anten đợc xác định nh thế no?
4. Nêu định nghĩa v
biểu thức tính hệ số tính hớng của anten?
5. Nêu định nghĩa v biểu thức tính hệ số tăng ích của anten?
6. Cách tính công suất bức xạ đẳng hớng tơng đơng?
7. Trình by về dipol điện?
8. Trình by về dipol từ?
9. Trỡnh by v nguyờn t bc x hn hp?
10. Xỏc nh h s hng tớnh (theo dBi) ca mt anten cú tớnh hng to nờn mt cụng sut
ti im xem xột l 3mW/m
2
khi m anten vụ hng to nờn mt cụng sut cng ti im ú l
0,5W/m
2
.
(a) 30,8 dBi; (b) 33,8 dBi; (c) 35,8 dBi; (d) 37,8 dBi

11. Xỏc nh h s khuch i (theo dBi) ca anten cú h s hng tớnh l 40 v hiu sut lm
vic 60%.
(a) 13,8 dBi; (b) 15,8 dBi; (c) 17,8 dBi; (d) 20,8 dBi
12. Xỏc nh cụng sut bc x ng hng tng ng (theo dBW v dBm) ca mt anten cú h
s hng tớnh 43 dBi, hiu sut 70% v cụng sut u vo anten l 5 W.
(a) 45,44 dBW v 75,44 dBm; (b) 48,44 dBW v 78,44 dBm; (c) 45,44 dBW v 78,44 dBm; (d)
48,44 dBW v 75,44 dBm
13. Mt anten cú in tr bc x 20, in tr tn hao 0,5 v h s hng tớnh l 200.
a, Xỏc nh hi
u sut ca anten.
(a) 87,56 %; (b) 90,56 %; (c) 95,56 %; (d) 97,56 %
b, Xỏc nh h s khuch i.


80
(a) 22,4 dBi; (b) 22,6 dBi; (c) 22,8 dBi; (d) 22,9 dBi
14. Một anten có công suất bức xạ 65W, công suất tổn hao 5W và hệ số hướng tính là 500.
a, Xác định hiệu suất của anten.
(a) 90,86 %; (b) 92,86 %; (c) 95,86 %; (d) 97,86 %
b, Xác định hệ số khuếch đại.
(a) 26,6 dBi; (b) 26,7 dBi; (c) 26,8 dBi; (d) 26,9 dBi