đặc tính của anten chấn tử đối xứng

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, khoa học công nghệ phát triển như vũ bão trên mọi
lĩnh vực với hàng loạt những nghiên cứu, phát minh mới đã góp phần không nhỏ
trong việc nâng cao trình độ sản xuất và đời sống của con người. Một trong những
lĩnh vực được đánh giá là có triển vọng nhất và được coi là thế mạnh của Việt Nam
hiện nay phải kể đến viễn thông, nó làm cho con người xích lại gần nhau hơn, làm
cho khoảng cách địa lý không còn ý nghĩa nữa.
Đóng góp vào sự phát triển mạnh mẽ nói trên chúng ta phải nói đến sự phát
triển của các thiết bị thu phát và khả năng truyền lan sóng điện từ hiện nay, bởi lẽ
hầu hết các hệ thống truyền dẫn thông tin, liên lạc chúng đều sử dụng phương thức
truyền lan sóng điện từ là chủ yếu.
Các thiết bị thu phát và chuyển tiếp sóng điện từ gọi chung là anten. Tuỳ theo
điều kiện công tác, mục đích sử dụng cũng như kết cấu của các hệ thống viễn thông
mà ta sử dụng nhiều loại anten khác nhau: anten chấn tử, anten khe, anten mạch dải,
anten gương, anten xoắn…
Do nhu cầu thông tin, liên lạc, truyền tải dữ liệu ngày càng cao nên các băng
tần ở dải sóng dài, sóng trung dần dần bị thay thế bởi các băng tần ở dải sóng ngắn
và cực ngắn. Với lợi thế là khả năng bức xạ tốt ở các dải sóng này cùng với kết cấu
tương đối đơn giản, dễ dàng điều chỉnh và kết hợp với các loại anten khác để tạo
thành một hệ bức xạ mà anten chấn tử là lựa chọn tối ưu trong hầu hết các thiết bị
vô tuyến điện.
Trong phạm vi đề tài này, em đã nghiên cứu đặc tính phương hướng của chấn
tử đối xứng và biểu diễn trực quan bằng trương trình matlab. Đồng thời đưa ra một
số bài toán về đặc tính phương hướng của chấn tử đối xứng.
Nội dung đề tài bao gồm 3 phần :
I. Khái quát về Anten và Anten chấn tử đối xứng
II. Các đặc tính của Anten chấn tử đối xứng
III. Đặc tính phương hướng của Anten chấn tử đối xứng trình bày bằng
Matlab
Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Xuân Việt đã tận tình hướng dẫn em trong
quá trình nghiên cứu, đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy

giáo và các bạn đã giúp em hoàn thành đề tài này.
Mặc dù đã cố gắng để hoàn thiện đồ án này, nhưng sẽ không tránh khỏi những
thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn
sinh viên quan tâm đến vấn đề này để xây dựng nên một đề tài hoàn thiện hơn.
1
Chương I
KHÁI QUÁT VỀ ANTEN VÀ ANTNE CHẤN TỬ ĐỐI
XỨNG
2
1.1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ANTEN
1.1.1: Khái niệm Anten và vị trí của Anten trong thông tin vô tuyến điện
Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ trong
không gian bên ngoài.
Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô
tuyến điện nào, bởi vì đã là hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng
sóng điện từ nên không thể thiếu thiết bị thu phát sóng điện từ hay chính là Anten.
Một hệ thống truyền dẫn đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, Anten phát và
Anten thu (Hình1.1). Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến,
vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến
điều khiển từ xa….
Hình 1.1: Hệ thống truyền tin đơn giản
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 nhiệm vụ biến
đổi sóng điện từ ràng buộc trong fidơ thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không
gian. Cấu tạo của Anten quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện nói trên. Tại
nơi thu, Anten làm nhiệm vụ ngược lại với Anten phát, Anten thu 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 fidơ đến 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 quả
cao nhất và không gây méo dạng tín hiệu.

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
3
Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau thì có những yêu cầu khác
nhau. Với các đài phát thanh, vô tuyến truyền hình thì Anten cần bức xạ đồng đều
trong mặt phẳng ngang (mặt đất), để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều
thu được tín hiệu của đài. Xong Anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng
đứng với hướng cực đại song song mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận
được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo hướng không cần
thiết.
Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin truyền tiếp, rađa, vô tuyến điều
khiển … thì lại yêu cầu Anten bức xạ với hướng tính cao (sóng bức xạ chỉ tập trung
vào một góc rất hẹp trong không gian).
Như vậy nhiệm vụ của Anten không phải chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng

điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướng
nhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước.
1.1.2: Phân loại Anten, một số Anten thông dụng
a. Phân loại Anten
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 loại thành Anten phát, Anten
thu hoặc Anten thu phát dùng chung. Thông thường Anten làm nhiệm 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 và Anten không đối xứng.
b.Một số Anten thông dụng
Trong thực tế có một số loại Anten thông dụng sau:
4
Hình 1.2: Một số loại anten thông dụng
1.2.3 Các thông số cơ bản của Anten
5
Anten Dipole Dipole
Hình nón
Anten Khung
Anten Loa Anten Lò xo
Anten Parabol Anten Loga chu kỳ
Phiến kim loại
Lớp đế điện môi
Anten mạch dải
Màn chắn kim loại
Điểm

cấp
Bộ dịch pha
Anten
Mảng
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.
a. Hàm tính hướng
Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường 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 f i f i
θ θ ϕ ϕ
θ ϕ θ ϕ θ ϕ
= +
(1.1)

• 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
θ ϕ
θ ϕ
=
(1.2)
Như vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1.
b. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng
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 hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại
đồ thị có thể hiển thị dễ dàng trên giấy(Hình 1.3).
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 ta nhận thấy rằng, giá trị trường bức 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
6
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
rộng 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 1.4).
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.
a. Trong hệ tọa độ cực b. Trong hệ tọa độ vuông
Hình 1.3. Ví dụ đồ thị phương hướng
7
-60 -30
30
θ
o
0,25
0,50
0,75
1,0

0 90
-90
60
Hình 1.4. Độ rộng của đồ thị phương
hướng
c. Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten
Công suất cấp cho Anten bao gồm cả công suất tổn hao P
th
trên đường truyền
và trong quá trình biến đổi năng lượng; và công suất bức xạ P
bx
.
A bx th
P P P= +
(1.3)
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
A bx th
P I R R= +
(1.4)
R
bx
: điện trở bức xạ của anten
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
=
(1.5)
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.
d. Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại của anten
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) là các thông số cho phép cho phép đánh giá tính
phương hướng và hiệu quả bức xạ 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
8
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 chuẩn 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
θ ϕ
=
(1.6)
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.
• Hệ số khuếch đại của anten
Hệ số khuếch đại 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 chuẩn ở cùng
hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất đưa vào của hai anten là
như nhau và anten chuẩn (anten vô hướng) có hiệu suất bằng 1.
( )
( )
( )
0
,

, ,
A A
S
G D
S
θ ϕ
θ ϕ η η θ ϕ
= =
(1.7)
Như vậy hệ số khuếch đại của anten là một khái niệm đầy đủ hơn và được
dùng nhiều trong thực tế kỹ thuật, nó đặc trưng cho anten cả về đặc tính bức xạ
(hướng tính) và khả năng làm việc (hiệu suất) của anten. Hệ số khuếch đại của
anten cho thấy rằng anten có hướng tính sẽ bức xạ năng lượng tập trung về hướng
được chọn và giảm năng lượng bức xạ ở các hướng khác. Chính vì vậy mà nó còn
được có thể được gọi là hệ số tăng ích hay độ lợi của anten.
9
Hình 1.6. Đồ thị phương hướng
Lưu ý rằng, ta thường chọn phương chuẩn là phương bức xạ cực đại của anten
nên sau này khi chỉ dùng các kí hiệu D và G, đó chính là hệ số hướng tính và hệ số
khuếch đại ở hướng bức xạ cực đại.
e. 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 điện đầu vào
a
vA vA vA
a
U

Z R jX
I
= = +
(1.8)
Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của
anten, điểm và phương tiếp điện cho anten.
f. 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
T T
P G=
(W) (1.9)
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.
10

Aten omni-directional Aten có hướng
Biểu thức EIRP cũng có thể tính theo đơn vị decibel

( )
EIRP(dBw) 10lg
T T
P G=
(1.10)
g. Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng
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
Diện tích hiệu dụng được xác định bởi biểu thức:
.
e A
A A
η
=
(1.11)
Trong đó A là diện tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten, η
A
là hiệu suất
làm việc của anten.
h. 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
∆
<
tức
ax
min
1,1
m
f
f
<
• Anten dải tần tương đối rộng:
0
10% 50%
f
f
∆
< <
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 f f∆ = −
và f
o,
f
max
, f
min
là tần số trung tâm, tần số cực đại và tần
số cực tiểu của dải tần.
i. 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 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. Tính chất đó của anten được biểu thị bởi một

hệ số gọi là hệ số bảo vệ, K
bv
, được tính bằng tỷ số bình phương cường độ điện
11
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 ,
m m
bv
E G
K
E
θ ϕ θ ϕ
= =
(1.12)
1.1.4: 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.
a.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 1.4a
a)Hình vẽ tính bức xạ của dipol
điện
b) Phân bố dòng và trường của dipol điện
Hình 1.4: Khảo sát trường bức xạ của dipole điện
x
z
I
e
r
θ
k
H
ϕ
E
θ
ϕ
y
a)
H
ϕ
E
θ
I
e
I
e
E

θ
H
ϕ
I
e
b)
12
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 14b). 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
E I l i V m
r
E
H
ik e
H I l i
r
θ θ
ϕ

θ
ϕ ϕ
θ
π
θ
π
−
−
=
=
=
=
(1.13)
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
Từ 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 ϕ θ
= −
(1.14)
• Hàm tính hướng biên độ :

( )
, sin
e
f ZI l
θ ϕ θ
=
(1.15)
• Hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa:

( )
sinF
θ θ
=

với ϕ = const (1.16)

( )
onstF c
ϕ
=
với θ = const
13
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 1.5. Đồ thị phương hướng của dipol điện
• Công suất bức xạ của đipol điện được xác định bằng cách tích phân
( )
2
2
2
0 0
2 2

2
3
0
1 1
E x H sin
2 2
sin
4 3
e
bx
s
e e
E
P dS d r d
Z
Z I l Z I
l
d
π π
θ
π
ϕ θ θ
π π
θ θ
λ λ
 
= =  ÷
 ÷
 
 

= =
 ÷
 
∫ ∫ ∫
∫
(1.17)
• Điện trở bức xạ của dipol điện
c) Tọa độ vuông góc
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
360
0
0
0
180
0
360
0
0
0
180
0

ϕ
0
θ
0
F(ϕ)
F(θ)
14
2D 3D
2
2
3
e
bx
Z l
R
π
λ
 
=
 ÷
 
(1.18)
Như vậy điện trở bức xạ phụ thuộc vào chiều dài tương đối
l
/λ của dipol và
các thông số của môi trường.
• Hệ số hướng tính của dipol
( )
2
ax

3
, sin
2
3 / 2
m
D
D
θ ϕ θ
=
=
(1.19)
b. 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
E I l i
r

ik e
H I l i
Z r
H
θ
ϕ ϕ
θ θ
ϕ
θ
π
θ
π
−
−
=
= −
=
=
(1.20)
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.
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 :
m e
I ZI=
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 bởi 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 của đipol điện được xác định:
2 2
2
2 2
3 2
m e m
e
bx
m
bx
bx
I R I
P
l
P
Z Z Z
π
λ
 
= = =
 ÷
 
(1.21)
Điện dẫn bức xạ của dipol từ
15
2
2
2
3

e
m
bx
bx
R
l
G
Z Z
π
λ
 
= =
 ÷
 
(1.22)
a) Hình vẽ tính bức xạ của dipol từ b) Phân bố dòng và trường của dipol từ
Hình 1.6. Khảo sát trường bức xạ của dipole từ
1.2: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG
1.2.1: Khái niệm, cấu tạo và ứng dụng của Anten chấn tử đối xứng
Chấn tử đối xứng là loại Anten đơn giản nhất và là một trong những nguồn
bức xạ được sử dụng khá phổ biến. Chấn tử đối xứng có thể sử dụng như một Anten
độc lập hoặc có thể được sử dụng để cấu tạo các Anten phức tạp khác.
Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn có hình dạng tuỳ
ý( hình trụ, hình chóp, elipsoit…) có kích thước giống nhau, đặt thẳng hàng trong
không gian, và ở giữa chúng được nối với nguồn dao động cao tần.
x
z
I
m
r

θ
k
E
ϕ
H
θ
ϕ
y
a)
b)
E
ϕ
H
θ
I
m
H
θ
E
ϕ
I
m
16
Hình 1.7: Chấn tử đối xứng
Chấn tử có dạng như hình vẽ trên, với một dây gồm hai nửa thẳng hàng, chiều
dài l và 2l hoặc l/2 và l. Giả thiết
2
0.01
a
λ

≤
với a là bán kính dây.
Trong một số tài liệu kỹ thuật, người ta dùng thuật ngữ Anten dipol ( Anten
lưỡng cực) để chỉ cho chấn tử đối xứng.
Anten chấn tử đối xứng là việc ở các dải sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng dài
và sóng trung. Nhưng chủ yếu được ứng dụng trong dải sóng ngắn và sóng cực ngắn
làm Anten thu và phát. Trong các dải sóng này Anten có thể làm việc độc lập hoặc
làm việc phối hợp. Trong dải sóng cực ngắn chấn tử đối xứng còn được sử dụng
làm bộ chiếu xạ cho các Anten phức tạp khác(vd: Anten gương parabon).
1.2.2 Các dạng khác của Anten chấn tử
a. Các dạng khác của chấn tử đơn giản
Chấn tử đơn giản được ứng dụng phổ biến nhất là chấn tử nửa sóng. Phụ thuộc
vào cách tiếp điện ta có các dạng Anten sau:
• Chấn tử kiểu Y
Chấn tử kiểu Y là chấn tử nửa sóng được tiếp điện bằng dây song hành mắc
song song. Hai nhánh chấn tử được nối ngắn mạch ở giữa còn dây song hành được
nối vào 2 điểm A-A trên chấn tử.
Chấn tử kiểu Y cho phép phối hợp tốt chấn tử và fide song hành ở một tần số
nhất định, không cần mắc thêm phần tử điều chỉnh phụ. Ngoài ra ta có thể nối trực
17
tiếp điểm giữa của chấn tử với cột hoặc giá đỡ kim loại mà không cần cách điện vì
điểm giữa chấn tử trong trường hợp này chính là điểm nút diện áp.
• Chấn tử kiểu T
Cũng là một chấn tử nửa sóng được tiếp điện bằng dây song hành mắc song
song. Điểm khác là trong trường hợp này đoạn fide chuyển tiếp đã biến dạng thành
dây dẫn song song với chấn tử nên có sự kahcs biệt về trở kháng sóng.
Chấn tử kiểu T là một hình thức trung gian. Nó có thể biến đổi để tạo thành sơ
đồ chấn tử kiểu khác, trong đó có chấn tử vòng dẹt và chấn tử omega.
b. Một số kỹ thuật giảm nhỏ kích thước chấn tử làm việc ở dải xóng dài và sóng
trung

Yêu cầu giảm nhỏ kích thước Anten là một trong những yêu cầu cấp bách đối
với kỹ thuật viễn thông hiện nay. Ở dải sóng dài và sóng trung, do bước sóng lớn
nên kích thước Anten khá đồ sộ, rất tốn kém trong xây dựng và bảo quản.Để giảm
nhỏ kích thước của Anten ta có một số biện phá như sau:
1. Dùng tải điện kháng(dung tính hay cảm tính) để điều chỉnh phân bố dòng
điện.
2. Thực hiện Anten bằng kết cấu có vận tốc pha nhỏ(kết cấu sóng chậm).
3. Kết hợp Anten với mạch tích cựu.
• Phương pháp dùng tải điện kháng
Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng quyết định đến việc hình thành
đồ thị phương hướng bức xạ là quy luật phân bố dòng điện dọc theo chấn tử. Ở
phương pháp này để thay đổi phân bố dòng điện trên chấn tử ta mắc ở đầu cuối của
nó tải thuần kháng dung tính có dạng khối kim loại hình đĩa hoặc hình cầu.
Phân bố dòng điện trong trường hợp này có thể được xác định theo phương
pháp gần đúng, khi coi chấn tử tương đương với một đoạn dây song hành mắc tải
điện dung ở đầu cuối. Do mắc tải nên trở kháng đầu cuối có giá trị hữu hạn, dòng
điện đầu cuối sẽ khác không, nghĩa là phân bố dòng điện sẽ tương tự trường hợp
chấn tử được kéo dài thêm một đoạn
td
l
. Như vậy một chấn tử đối xứng có tải
18
chiều dài mỗi nhánh
2
l
có thể được thay thế bằng một chấn tử đối xứng không
tải với độ dài mỗi nhánh bằng:
2 2
L l
k

ψ
= +
. Trong đó: Asin
ψ
=1
Acos
1
C
ψ
ω ρ
=
Hàm phân bố dòng điện:
( ) sin ( )
2
sin
2
Ic L
I z k z
kL
= −
Trong đó: Ic là dòng điện ở cuối chấn tử(chỗ mắc tải).
z là tọa độ điểm khảo sát tính từ đầu vào chấn tử.
Cường độ bức xạ của chấn tử:
( )
W
2
R
ik
i Ib e
E

R
θ
π
−
= Φ
Trong đó:
( )
os os os os sin os sin os
2 2 2
sin
kL kl kL
c c c c c c
θ ψ θ ψ θ
θ
θ
   
− +
 ÷  ÷
   
Φ =
Hình vẽ vẽ đồ thị phương hướng của chấn tử đối xứng mắc tải điện dung có
0,42
2
l
λ
=
;
0
150
2

kl
 
=
 ÷
 
ứng với các giá trị khác nhau của tải (
0 0
45 ;80
ψ
=
). Trên
hình cũng vẽ đồ thị phương hướng của chấn tử không tải với
0.5
2
l
λ
=
(đường gạch
chấm).
Khảo sát đồ thị trên rút ra được một số kết luận thực tế, quan trọng là có thể
bảo toàn dạng của đồ thị phương hướng của chấn tử khi giảm nhỏ kích thước của
chúng bằng cách mắc tải điện dung thích hợp ở đầu cuối chấn tử. Phương pháp này
được ứng dụng rộng rãi để thiết lập các Anten sóng dài và sóng trung, cho phép
giảm nhỏ kích thước của Anten khoảng 20-30%.
Ở trên ta khảo sát phương pháp giảm nhỏ kích thước bằng cách mắc tải dung
tính ở đầu cuối để phân bố dòng điện. Việc này cũng có thể thực hiện được bằng
cách mắc tải càm tính nối tiếp tại điểm giữa trên hai nhánh chấn tử. Trong một vài
trường có thể sử dụng hỗn hợp cả hai cách để đạ được hiệu quả cao hơn.
19
• Phương pháp dùng đường dây sóng chậm

Việc giảm nhỏ kích thước của chấn tử có thể được thực hiện bằng cách sử
dụng các đường dây sóng chậm.
Về nguyên tắc có thể sử dụng bất cứ đường dây sóng chậm nào mà đối với nó
có thể áp dụng khái niệm trở kháng bề mặt (hay ipedang bề mặt), nghĩa là khi trên
mặt ngoài của nó có các thành phần tiếp tuyến của điện trường và từ trường có giá
trị khác không. Tuy nhiên việc lựa chọn loại đường dây sóng chậm xuất phát từ các
yêu cầu có liên quan đến thong số cảu các kết cấu ấy, trong đó hai thông số quan
trọng là hệ số chậm và hệ số suy giảm của kết cấu. Thông số hệ số chậm có ảnh
hưởng đến khả năng rút ngắn kích thước của Anten, thông số hệ số suy giảm ảnh
hưởng đến hiệu suất của Anten.
Các đường dây sóng chậm thường gặp là các dây dẫn kim loại có phủ lớp điện
môi hoặc ferit, trục kim loại hình răng lược. Các chấn sử dụng loại dây sóng chậm
này được gọi là chấn tử impedang.
Sử dụng các đường truyền sóng chậm để thiết lập Anten chấn tử cho phép
nhận được hệ số rút ngắn Anten khoảng 2-5 lần (hệ số rút ngắn Anten được định
nghĩa bằng tỷ số giữa tần số cộng hưởng của chấn tử kim loại thường có cùng chiều
dài và tần số cộng hưởng của chấn tử làm bằng đường dây sóng chậm).
Các chấn tử impedang có nhược điểm là phải sử dụng các vật liệu điện môi
hược từ môi gây tổn hao trong các môi trường ấy và do đó làm giảm hiệu suất của
Anten. Để khắc phục có thể thay thế môi trường bao quang dây dẫn(điện môi hay
ferit) bởi đường dây xoắn.
• Kết hợp Anten với các phần tử tích cực
Biết rằng khi đơn thuần giảm nhỏ kích thước của Anten thì độ dài hiệu dụng
của Anten cũng đồng thời giảm đi và sẽ dẫn đến giảm sức điện động nhận được ở
đầu ra Aten khi Anten làm việc ở chế độ thu và giảm cường độ trường bức xạ của
Anten khi Anten làm việc ở chế độ phát.
Để đảm bảo đặc tính của Anten khi giảm nhỏ kích thước cần có biện pháp bù
lại sự giảm độ dài hiệu dụng của Anten. Một trong những biện pháp có hiệu quả để
khắc phục nhược điểm khi giảm nhỏ kích thước Anten là kết hợp Anten với các
phần tử (hay mạch) tích cực. Ta gọi Anten là Anten tích cực.việc hợp nhất Anten và

20
mạch nếu thực hiện tốt sẽ tạo ra một cấu trúc hợp lý để cải thiện đặc tính của Anten,
và trong một số trường hợp còn có thể tạo ra cho Anten một số chức năng mới mà ở
các Anten thường không có. Ngoài ra khi kết hợp Anten và mạch thì giữa Anten và
máy thu hay máy phát không cần các phần tử phối hợp điều chỉnh như các trường
hợp thông thường, giảm bớt chiều dài fide mắc giữa Anten và thiết bị thu –phát, do
đó giảm tổn hao cao tần và giảm tạp âm nhiệt của Anten.
Cần lưu ý rằng kết hợp Anten với mạch tích cực thì sự cải thiện hệ số tăng ích
Anten không có liên quan đến việc cải thiện giản đồ hướng tính. Trong các trường
hợp này hàm phương hướng chuẩn hóa của Anten vẫn chỉ được quyết định bởi độ
dài thực của Anten và do đó giảm nhỏ kích thước Anten cũng vẫn dẫn đến giảm
hướng tính, nghĩa là dẫn đến mở rộng đồ thị phương hướng.
Tuy nhiên, việc kết hợp Anten với phần tử hay mạch tích cực trong một số
trường hợp cho phép dễ dàng sử dụng Aanten làm phần tử của các hệ thống bức xạ
để thiết lập đồ thị phương hướng theo yêu cầu cho trước, để thiết lập Anten điều
khiển đồ thị phương hướng bằng phương pháp điện hay hệ thống bức xạ có thực
hiện bước đầu việc sử lý tín hiệu.
21
Chương II
CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG
2.1 PHÂN BỐ DÒNG ĐIỆN TRÊN ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG
Một trong những vấn đề cơ bản khi khảo sát các Anten là xác định trường bức
xạ tạo ra trong không gian và các thông số của Anten. Như vậy cần biết phân bố
dòng điện trên Anten đó. Có thể sử dụng lý thuyết đường dây song hành để xác
định phân bố dòng điện trên chấn tử đối xứng dựa trên suy luận về sự tương tự giữa
chấn tử và đường dây song hành hở mạch đầu cuối không tổn hao.
Một đường dây song hành hở mạch dầu cuối, nếu mở rộng hai nhánh của
đường dây ra 180
0
ta sẽ được chấn tử đối xứng. Việc mở rộng này làm mất tính đối

xứng của đường dây song hành và làm cho sóng điện từ bức xạ ra không gian bên
ngoài tạo thành Anten.
Hình 2.1: Sự tương quan giữa chấn tử đối xứng và đường dây song hành
Giả sử khi biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng thì quy luật
phân bố dòng điện trên hai nhánh vẫn không thay đổi, nghĩa là vẫn có dạng sóng
đứng:
( )
( )
sin
z b
I z I k l z= −
(2.1)
Trong đó I
b
là biên độ dòng điện ở điểm bụng sóng đứng.

l
là độ dài một nhánh chấn tử.
22
l
z
a) b)
Tuy nhiên, những suy luận về sự tương tự nêu trên chỉ có tính chất gần đúng vì
giữa hai hệ thống này có những điểm khác biệt, đó là:
- Các thông số phân bố của đường dây không biến đổi dọc theo dây, còn các
thông số phân bố của chấn tử thì biến đổi ứng với các vị trí khác nhau trên chấn tử.
- Đường dây song hành là hệ thống truyền dẫn năng lượng sóng điện từ còn
chấn tử đối xứng là hệ thống bức xạ.
- Trên đường dây song hành không tổn hao, hở mạch đầu cuối, dòng điện chỉ
biến đổi theo quy luật sóng đứng thuần túy, dạng sin, còn đối với chấn tử luôn có sự

mất mát năng lượng do bức xạ (mất mát hữu ích). Do đó nói một cách chính xác thì
phân bố dòng điện trên chấn tử sẽ không theo quy luật sóng đứng hình sin. Tuy
nhiên với các chấn tử rất mảnh (đường kính << 0,01λ) khi tính trường ở khu xa dựa
theo giả thiết phân bố dòng điện hình sin cũng nhận được kết quả khá phù hợp với
thực nghiệm. Vì vậy, trong phần lớn các tính toán kỹ thuật có thể cho phép áp dụng
giả thiết gần đúng về phân bố dòng điện sóng đứng hình sin.
Biết quy luật phân bố của dòng điện trên chấn tử sẽ xác định được quy luật
phân bố gần đúng của điện tích bằng cách áp dụng phương trình bảo toàn điện tích.
Có thể giả thiết dòng điện trên chấn tử chỉ có thành phần dọc I
z,
điện tích nằm trên
bề mặt dây và có mật độ dài Q
z
.
Ta có phương trình bảo toàn điện tích có dạng
0
z
z
dI
i Q
dz
ω
+ =
(2.2)
Trong đó I
z
= 2πaJ
z
: biên độ dòng điện tại tọa độ z của chấn tử
J

z
mật độ dòng điện mặt
Q
z
điện tích mặt trên một đơn vị chiều dài chấn tử
Giải phương trình (2.1) trong đó thay I
z
bởi phương trình (1.6) ta được điện
tích phân bố trên một đơn vị dài chấn tử là:
( )
( )
osk l-z , 0
osk l+z , 0
b
zl
b
zl
kI
Q c z
i
kI
Q c z
i
ω
ω
= >
= − <
(2.3)
Khi nghiên cứu về anten chấn tử người ta thường sử dụng độ dài tương đối so
với bước sóng. Ký hiệu:

/l
λ
23
Xét trong một số trường hợp:
0.25l
λ
=
:
0
3
80
θ
=
0.5l
λ
=
: chấn tử nửa sóng
0
3
44
θ
=
0.625l
λ
=
: trường hợp giới hạn
0
3
31
θ

=
Phân bố dòng điện và điện tích trên chấn tử đối xứng được chỉ trong hình vẽ
Hình 2.2: Phân bố dòng điện và điện tích trên chấn tử đối xứng
2.2 TRƯỜNG BỨC XẠ CỦA ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG
TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO
2.2.1 Điều kiện xét
Một chấn tử đối xứng có chiều dài
l
được đặt trong một môi trường đồng nhất,
đẳng hướng và không hấp thụ (môi trường không gian tự do). Xét trường bức xạ
của chấn tử tại một điểm M, cách tâm chấn tử một khoảng r khá xa nguồn, ở hướng
mà đường thẳng nối điểm M với tâm chấn tử hợp với trục chấn tử một góc θ.
24
2.2.1 Tính cường độ trường
Xét trong mặt phẳng chứa 0z, đẳng hướng theo ϕ, đặc tính hướng phụ thuộc
Hình 2.3: Mô tả các thông số tính trường bức xạ của chấn tử đối xứng
trong không gian tự do
Chia chấn tử thành các đoạn dz vô cùng bé (dz<<λ), xét trường do đoạn dz gây
ra tại M. Vì dz << λ nên nó tương đương như một dipol điện với dòng điện trên nó
là I
z
xác định theo công thức (2.1). Điện trường tại M do dz trên hai nhánh chấn tử
gây ra được xác định theo công thức:
sin ( / )
4
0
0
sin
4
ikr

e
ikr
e
ikZ e
E I l i V m
r
E
H
ik e
H I l i
r
θ θ
ϕ
θ
ϕ ϕ
θ
π
θ
π
−
−
=
=
=
=
(2.4)
Sẽ là:
1
2
1

1
2
2
60
sin
60
sin
ikr
z
ikr
z
I dz
dE i e i
r
I dz
dE i e i
r
θ
θ
π
θ
λ
π
θ
λ
−
−
=
=
(2.5)

Trong đó
1 0
2 0
os
os
r r zc
r r zc
θ
θ
= −
= +
(2.6)
25
∆r
θ
M
r
o
r
1
r
2
l
z