nguyên lý sóng điện từ và thiết kế anten

Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
I. NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN.
1. Sóng điện từ
1.1 Sóng điện từ
o Sóng điện từ hình thành khi một điện tích điểm dao động điều hòa:
Khi tại một điểm A có một điện tích điểm dao động điều hòa 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.
o Sóng điện từ là quá trình truyền đi trong không gian của điện từ trường biến
thiên tuần hoàn trong không gian theo thời gian.
1.2 Tính chất của sóng điện từ
o Sóng điện từ lan truyền trong môi trường vật chất và môi trường không khí,
vận tốc lan truyền bằng vận tốc ánh sang v=c=3.10^8
o Sóng điện từ là sóng ngang, nên vecto điện trường và từ trường vuông góc với
nhau và vuông góc với phương truyền sóng
Hình 1. Sóng điện từ
o Sóng điện từ có tính chất giống sóng cơ học: phản xạ, giao thoa, khúc xạ.
o Năng lượng tỉ lệ lũy thừa bậc 4 tần số.
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 1
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
o
Sóng điện từ trong thông tin vô tuyến gọi là sóng vô tuyến. Sóng cực ngắn có tần số
từ 100MHz đến 1000MHz được dùng nhiều trong truyền hình.
2. Nguyên lý cơ bản của trường điện từ và truyền sóng
2.1 Nguyên lý cơ bản trường điện từ
o Khái niệm: trường điện từ hay trường Maxwell là một trong những trường của
vật lý học, là dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mang điện, là
trường thống nhất của điện trường và từ trường.
o Các luận điểm chính của trường điện từ:
i. Luận điểm thứ nhất của Maxwell

- Phát biểu: bất kỳ một từ trường nào biến đổi theo thời gian cũng sinh ra
điện trường xoáy
- Biểu thức:
B
rot E
t
→
→
∂
= −
∂
ii. Luận điểm thứ hai của Maxwell
- Phát biểu: bất kỳ một điện trường nào biến thiên theo thời gian cũng sinh
ra một từ trường.
- Biểu thức:
D
rot H J
t
→
→ →
∂
= +
∂
iii. Trường điện từ và hệ thống phương trình Maxwell
- 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 lường trường từ:
2 2

0 0
1
w w w ( )
2
e m
E H
ε ε µ µ
= + = +
Năng lượng trường điện từ:
2 2
0 0
1
W ( )
2
V
E H dV
ε ε µ µ
= +
∫
- Phương trình Maxwell- Faraday:
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 2
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Dạng tích phân:
( )
C s
d
Ed l BdS
dt
→ → →
= −

∫ ∫
Ñ
Dạng vi phân:
B
rot E
t
→
→
∂
= −
∂
- Phương trình Maxwell_Ampe
Dạng tích phân:
( )
C s
D
Hd l J d S
t
→
→ → → →
∂
= +
∂
∫ ∫
Ñ
Dạng vi phân:
D
rot H J
t
→

→ →
∂
= +
∂
- Định lý Ostrograndski-Gauss với điện trường
Dạng tích phân:
S
Dd S q
→ →
=
∫
Dạng vi phận:
div D
ρ
→
=
- Định lý O-G với từ trường
Dạng tích phân:
0
s
Bd S
→ →
=
∫
Dạng vi phân:
0div B
→
=
- Các phương trình liên hệ giữa các đại lượng:
Điện trường tĩnh:

0
D E
ε ε
→ →
=
Từ trường không đổi:
0
B H
µ µ
→ →
=
2.2 Quá trình truyền sóng trong không gian
 Phân loại các loại sóng
- Sóng dài(
λ
=1km-10km) có năng lượng nhỏ nên không truyền đi xa
được, ít bị nước hấp thụ nên thường được dùng trong thông tin liên lạc
trên mặt đất và nước.
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 3
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
- Sóng trung(
λ
=100m-1000m): ban ngày bị tầng điện ly hấp thụ mạnh
nên không truyền đi xa được, ban đêm không bị hấp thụ.
- Sóng ngắn (
λ
=10m-100m): có năng lượng lớn, bị tầng điện ly và mặt
nước phản xạ mạnh, vì vậy sóng từ đài phát có thể truyền đi mọi điểm .
- Sóng cực ngắn (
λ

=1m-10m): có năng lượng cực lớn, không bị tầng điện
ly phản xạ.
 Truyền sóng trong không gian:
- Truyền sóng mặt đất: là truyền sóng trên mặt đất, bị suy giảm nhiều
do sự hấp thụ của trái đất, sự suy giảm phụ thuộc vào tần số, tần số
càng cao thì suy hao càng mạnh, bề mặt biển do có độ dẫn điện mạnh
nên làm cho cường độ tại điểm thu càng mạnh lên.Do đó truyền sóng bề
mặt đất phù hợp với sóng dài và cực dài, ứng dụng trên biển.
- Truyền sóng trong tầng đối lưu: là truyền trong tầng đối lưu chủ yếu
bằng phương thức phản xạ và khúc xạ.
Hình 2. Truyền sóng trong tầng đối lưu
Cự ly truyền sóng cực đại trong tầng đối lưu là:
ax
17 ( ) 17 ( )
m T R
d h mm h mm= +
- Truyền sóng trong tầng điệnly: là sóng truyền mà khi truyền và tầng
điện ly, bị phản xạ về mặt đất, còn gọi là sóng trời.
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 4
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Hình 3. Truyền sóng trong tầng điện ly
Tầng điện ly có chứa các electron và ion dương ảnh hưởng đến quá
trình truyền sóng điện từ:
 Mật độ electron tự do biến thiên làm cho các tia sóng điện từ
truyền từ mặt đất bị phản xạ trở lại.
 Ảnh hưởng của từ trường trái đất: sóng điện từ truyền vào tầng
ion sẽ phân chia làm hai thành phần phân cực khác nhau, do đó
khi sóng đi ra khỏi tầng điện ly sẽ khác với ban đầu.
2.3 Truyền sóng trong ống dẫn sóng và cáp quang
 Truyền sóng trong ống dẫn sóng:

Hình 4. ống dẫn sóng
Một số đặc điểm của ống dẫn sóng:
- Tổn hao thấp ( ở tần số cao và công suất lớn)
- Không thể hoạt động ở tần số thấp hơn tần số giới hạn, ứng dụng như
một bộ lọc thông cao.
- Sóng truyền trong ống dẫn sóng ở mode TM hoặc TE.
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 5
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
- Ứng với mỗi mode sóng tồn tại một tần số tới hạn.
 Truyền sóng trong cáp quang
Hình 5. Truyền sóng trong cáp quang
Truyền sóng trong cáp quang dựa vào tính chất phản xạ toàn phần khi
tia sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang
kém, và góc tia tới lớn hớn góc tới hạn. Tia sáng đi từ đầu sợi quang đến
cuối sợi quang chụi sự suy hao do:
- Suy hao do tán xạ.
- Suy hao do hấp thụ.
- Suy hao do các mode rò rỉ.
- Suy hao do ghép mode.
- Suy hao do bị uốn cong.

3. Antenna
o Anten là linh kiện điện tử có thể bức xạ và thu nhận sóng điện từ.
o Trong hệ thống thông tin vô tuyến anten có hai chức năng cơ bản:
• Chức năng chính là bức xạ tín hiệu RF từ máy phát thành sóng vô tuyến
và chuyển đổi sóng vô tuyến thành tín hiệu RF tại máy thu.
• Chức năng khác của anten đó là độ định hướng, tức là bức xạ theo một
hay nhiều hướng và thu theo theo các hướng mong muốn và khóa
hướng còn lại.
II. LÝ THUYẾT ANTENNA DIPOLE

1. Dipole Hertz :
o Nguyên tố anten thẳng, còn gọi là dipole Hertz, là đoạn dây dẫn thẳng rất
mảnh,hở 2 đầu, mang dòng điện biến thiên tần số w, độ dài rất nhỏ so với bước sóng
l <<
λ
, sao cho có thể xem dòng điện có giá trị như nhau tại mọi điểm trên đoạn dây
:
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 6
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Hình 6. Dipole Hertz
Ở khoảng cách xa r >>l cường độ điện trường xác định bằng biểu thức :
30 sin
( )
jkr
KIl e
E j
r
i
θ
θ
θ
=
r
-
0E
ϕ
=
r
Với :
2

K
π
λ
=
(rad/m).
Ta thấy cường độ trường phụ thuộc vào toạ độ khảo sát, dòng điện trên lưỡng cực
và bước sóng.
Công suất bức xạ trong không gian tự do :
2
2 2
40
e
l
P I
π
λ
 
=
 ÷
 
Điện trở bức xạ trong không gian tự do :
2
2
R 80
l
π
λ
 
=
 ÷

 
Hệ số định hướng :
( )
2
3
D , sin
2
θ ϕ θ
=
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 7
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Hình 7. Đồ thị bức xạ của Dipole Hertz
Hình 8. Các đường sức trường điện bức xạ
2. Dipole nửa sóng (half wave length dipole)

Một đoạn dây dẫn thẳng có chiều dài l =
λ
/2 được kích thích bởi nguồn thông
qua đường dây truyền sóng đến điểm giữa đoạn dây. Dòng điện chảy qua đoạn dây
biến thiên theo tọa độ z.
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 8
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Hình 9. Dipole nửa sóng và phân bố dòng điện trên dipole

Cường độ điện trường và từ trường của anten ( ở vùng xa ):

os( os )
2
60. [ ].( / )
sin

jkR
m
c c
E j I e R
E
H
θ
θ
π
θ
θ
η
−
=
=
&
&
&

Mật độ dòng công suất bức xạ trung bình :
2
2 2
2
2
0
2 2 2
os ( os ) os ( os )
15
2 2
W( , ) W [W / ]

sin sin
m
c c c c
E
I
R m
R
π π
θ θ
θ
η π θ θ
= = =
&
Cường độ bức xạ chuẩn hóa (vùng xa):
2
2
2 2
0 0
4
os( os )
15
2
W(R, )d [ ] sin
sin
m
rad
c c
I
R d dP
π π

π
π
θ
θ θ θ ϕ
π θ
= Ω =
∫∫ ∫ ∫
Công suất bức xạ bằng :

2 2
2
ax
2 2
4 15
4
( ) 1.64
36.6
[dB]=10log1,64=2.15dB
m m
rad m
R S I
R
D
P I R
D
π
π
π
= = =

Sau khi tích phân ta được :
2
36.6
m
rad
I
P
=
Hệ số định hướng của anten :

2 2
2
ax
2 2
4 15
4
( ) 1.64
36.6
[dB]=10log1,64=2.15dB
m m
rad m
R S I
R
D
P I R
D
π
π
π

= = =

Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 9
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Điện trở bức xạ :

2
2 2
2
2.36,6.
73
rad m
rad
m m
R
P
I
I I
= = ≈ Ω

Trở kháng vào anten :

73 42.5
in
jZ = +

Hiệu suất bức xạ :

os
rad

rad l s
R
R R
e
+
=

Hiệu suất bức xạ của anten nửa sóng thường rất cao ( khoảng 98% ) nên anten
với kích thước này thường được triển khai trong thực tế.
Hình 10. Đồ thị bức xạ của dipole nửa sóng
III. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ ANTEN VÀ MÔ PHỎNG ANTEN DIPOLE NỬA SÓNG
1. Yêu cầu bài toán thiết kế
Thiết kế anten dipole điển hình cho dải tần truyền hình của AVG
Lựa chọn các thông số cần thiết kế:
• Tần số trung tâm 770MHz
• Băng thông 700-850MHz
• Độ lợi 2 dBi
2. Phân tích thiết kế
o Thiết kế anten dipole điển hình em chọn anten dipole nửa sóng để thiết kế.
o Các thông số cơ bản của anten dipole nửa sóng:
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 10
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
STT THÔNG SỐ Minimun Maximum
Gain (dBi) 2 - -
Tỉ lệ băng thông (%) 12 6 20
Trở kháng 73 ohm - -
Hình 11. ảnh hưởng của chiều dài anten tới đồ thị bức xạ.
( Antenna-Engineering-Handbook-John-L-Volakis)
• Nhận xét: qua hình trên ta nhận thấy chiều dài anten lớn hơn 0.5
λ

thì bắt đầu xuất
hiện búp sóng phụ, do đo ta chỉ thiết kế anten với chiều dài nhỏ hơn 0.5
λ
.
 Phương pháp phân tích thiết kế anten

Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 11
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến kết quả thiết kế anten:
• Chiều dài anten L
• Đường kính thanh D
• Chất liệu làm anten và hệ số điện môi môi trường
o Do không có công thức cụ thể để tính toán ra các tham số L, D nên phương pháp
thiết kế em lựa chọn ở đây là PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM QUA MÔ PHỎNG
bằng phần mềm CST2009.
o Chất liệu mô phỏng anten được chọn là Cu (đồng), môi trường không khí
ε
=1.
o Từ công thức thực nghiệm
L=0.475
λ
, D=0.002
λ
, g=L/200 (g là khoảng cách giữa hai thanh dipole)
(theo />Ta tính được các giá trị ban đầu là :
L=185.0649mm, D=0.77922mm.
Kết quả mô phỏng: S11
Hình 12. Hệ số phản xạ S11
• Nhận xét: băng thông 723-810MHz đã bao trùm dải tần truyền hình của
AVG nhưng tần số trung tâm là 763MHz trong khi cần thiết kế theo yêu

cầu bài toán ban đầu là 770MHz và đường kính D khá nhỏ không phù hợp
trong thực tế.
Qua quá trình mô phỏng em rút ra kết luận:
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 12
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
i. Khi tăng chiều dài L, cố định đường kính D thì tần số trung tâm bị
dịch về vùng tần số thấp hơn tần số thấp, ngược lại thì tần số trung tâm
dịch gần về vùng tần số cao.
Nhận xét: khi giảm chiều dài dipole_length (L) thì tần tần số cộng hưởng dịch
về vùng tần số cao và băng thông không thay đổi nhiều. Khi L=178.8-
181.6mm thì tần số cộng hưởng khá gần với tần số trung tâm cần thiết kế
là 770MHz.
ii. Khi giảm đường kính D, cố định L thì S11 giảm xuống, tức là phối
hợp trở kháng tốt hơn.
Nhận xét: khảo sát D=2-7mm thì ta thấy tại D=2mm thì anten đạt cộng hưởng
sâu nhất và độ dịch tần là khá nhỏ.
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 13
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Bảng thống kê quá trình thực nghiệm mô phỏng
STT Thông số Băng thông
Tần số trung
tâm
L(mm) D(mm)
.100
H L
c
f f
f
−
L H

f f÷
(M
Hz)
c
f
(MHz)
1 188.7 0.03967 6.5% 740-789 766.30
2 187.8 0.1728 8% 732-796 762.61
3 186.1 0.6113 10% 723-804 761.38
4 184.2 1.403 12% 717-815 761.99
5 183.4 2.003 13% 716-820 762.61
6 182.7 2.695 14% 714-826 763.84
7 182.2 3.428 15% 710-830 763.22
8 181.7 4.254 16% 708-834 764.46
9 181.2 5.194 17% 705-840 766.30
10 180.3 6.964 19% 710-848 770.00
Nhận xét: so sánh với các yêu cầu thiết kế bài toán thì kết quả thứ 10 với tần số
trung tâm 770MHz phù hợp với yêu cầu.
3. Kết quả mô phỏng
 Với: L=180.3mm, D=6.964mm
S11
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 14
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Đồ thị bức xạ:
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 15
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Hình 13. Kết quả mô phỏng S11, Gain, đồ thị bức xạ
Kết quả: - băng thông đạt được: 138MHz (710-848MHz)
- Tần số trung tâm : 770MHz
- Độ lợi anten là: 2.14 dBi

 Nhận xét: tại vị trí tần số cộng hưởng giá trị S11 là -21.7 dB còn khá cao, do đó để
giảm S11 em giảm đường kính của thanh dẫn D=2.964mm để đạt công hưởng sâu
hơn.
Kết quả chỉnh sửa
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 16
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
S11:
Đồ thì bức xạ 3D:
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 17
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Hình 14. Kết quả mô phỏng anten sau khi chỉnh sửa
Kết quả: -Băng thông 116MHz (721-837MHz)
- S11 tại tần số cộng hưởng là -39.67 dB
-Độ lợi Gain=2.11dBi, fc=774MHz

4. Kết quả mô phỏng với cáp 75Ω
S11:
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 18
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
Hình 15. Kết quả mô phỏng anten với cáp 75Ω
Nhận xét: khi mô phỏng với cáp đồng trục 75Ω ta thấy kết quả S11 đã cộng hưởng
sâu hơn (-53 so với -39 dB), điều này là do phối hợp trở kháng giữa cáp và anten đã
tốt hơn rất nhiều (
anten
R
=73Ω và
ápc
R
=75Ω). Băng thông và độ lợi không đổi.

5. Kết luận và hạn chế báo cáo.
_Đã đưa ra được thiết kế cơ bản cho anten ở dải tần truyền hình AVG, Các kết quả đã
cơ bản đáp ứng được.
-Hạn chế:+Phương pháp phân tích và đánh giá kết quả còn hạn chế
+Băng thông là khá rộng từ: 700-850MHz trong khi dải tần của AVG chỉ từ
750-800MHz.
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 19
Tìm hiểu nguyên lý sóng điện từ và anten
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Truyền sóng và anten, Tg: Lê Tiến Thường- Trần Văn Sư, ĐH BÁCH KHOA HCM
2. />3. ANTENNA ENGINEERING HANDBOOK, 4
th
, DR. JOHN L.VOLAKIS
Nguyễn Văn Định_Phòng Quy Hoạch Và Kiểm Soát Chất Lượng Page 20