Slide lý thuyết chung về anten (môn anten và truyền sóng)

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

CHƯƠNG 4

LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN

Trang 1


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

NỘI DUNG
 Nội dung chương 4: (5)

• 4.1 Giới thiệu
• 4.2 Các tham số cơ bản của anten
• 4.3 Các nguồn bức xa nguyên tố
• 4.4Câu hỏi và bài tập

Trang 2


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.1 Giới thiệu
 PP truyền sóng điện từ:

• Hữu tuyến: dùng dây cáp (sóng điện từ ràng buộc) -> nhược điểm?
• Vô tuyến: bức xạ sóng điện từ ra môi trường thực (sóng điện từ tự
do).  dùng anten -> nhược điểm?

Trang 3


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.1 Giới thiệu
 Vai trò của anten

• Là thiết bị bức xạ sóng điện từ ra không gian và thu nhận sóng điện
từ từ không gian bên ngoài
+ Anten phát: Biến đổi tín hiệu điện cao tần từ máy phát thành sóng điện
từ tự do lan truyền trong không gian
+ Anten thu: Tập trung năng lượng sóng điện từ trong không gian thành
tín hiệu điện cao tần đưa đến máy thu.

Trang 4


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.1 Giới thiệu
 Vai trò của anten

• Anten không chỉ đơn thuần là chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc
thành sóng điện từ tự do và ngược lại mà còn phải bức xạ theo
hướng nhất định

• Phân loại: theo công dụng, dãi tần công tác, cấu trúc, đồ thị phương
hướng,…

Trang 5


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.1 Giới thiệu
• Các loại anten

Hình 4.2. Một số loại anten
Trang 6


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.1 Giới thiệu
 Quá trình vật lý bức xạ sóng điện từ

• Khảo sát quá trình bức xạ

Trang 7

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
1. Hàm tính hướng

• Khái niệm: Là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường
bức xạ bởi anten theo hướng khảo sát khi cự ly khảo sát là không
ur
ur
ur
đổi
f θ , ϕ = fθ θ , ϕ .iθ + fϕ θ , ϕ .iϕ
(4.1)

(

)

(

)

(

)

+ θ, ϕ: Góc bức xạ của anten (góc phương vị và góc ngẩng)

• Hàm tính hướng biên độ: Biểu thị quan hệ của biên độ trường bức
xạ theo hướng khảo sát với cự ly khảo sát không đổi

ur
f ( θ ,ϕ ) =

fθ ( θ , ϕ ) + fϕ ( θ , ϕ )
2

2

(4.2)

• Hàm biên độ tương đối (chuẩn hóa)
F ( θ ,ϕ ) =

f ( θ ,ϕ )

f ( θ , ϕ ) max

; Fmax = 1

(4.3)
Trang 8


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản

2. Đồ thị tính hướng
+ Là đồ thị không gian biểu thị sự biến đổi tương đối của biên độ trường
bức xạ theo hướng khảo sát khi cự ly khảo sát là không đổi
+ Được vẽ từ F(θ,ϕ):
- Có thể biểu diễn theo 3D
- Thường được biểu diễn là mặt cắt của đồ thị hướng tính 3D (theo
phương θ, ϕ), theo dạng tọa độ cực hoặc hệ tọa độ vuông góc
- Thang biểu diễn có thể theo thang thập phân hay thang logarit

Trang 9


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
2. Đồ thị tính hướng
• Búp sóng:
+ Búp sóng chính
+ Búp sóng phụ

Trang 10


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
2. Đồ thị tính hướng
1,0

0,75
0,50
0,25
θo
-90

-60

-30

0

30

60

90

Hình 4.5. Đồ thị tính hướng theo dạng tọa độ cực và tọa độ vuông góc

Trang 11


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
3. Độ rộng đồ thị tính hướng

• Là góc giữa hai hướng mà theo hướng đó công suất bức xạ
giảm
+ Góc bức xạ nửa công suất (2θ 1/2 hay θ 3dB): Công suất bức xạ giảm
2
một nửa so với hướng cực đại (E giảm )
+ Góc bức xạ không (2θ 0): Công suất bức xạ hướng cực đại giảm
đến “0”

• Thể hiện tính tập chung năng lượng bức xạ theo hướng làm
việc

Hình 4.6. Độ rộng của
đồ thị tính hướng

Trang 12


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
3. Độ rộng đồ thị tính hướng

Trang 13


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản

3. Độ rộng đồ thị tính hướng

Trang 14


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
Đồ thị phương hướng của anten lưỡng hướng và anten có hướng

Trang 15


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
4. Trường điện từ bức xạ từ anten (trường xa)

Trang 16


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

4.2 Các tham số cơ bản
5. Sự phân cực anten: Hình ảnh để lại bởi đầu mút của vector
E khi quan sát dọc theo chiều truyền sóng.

+ Phân cực đường thẳng: Mặt phẳng phân cực cố định khi sóng
truyền lan.
- Phân cực đứng: Vecto E vuông góc với mặt phẳng nằm ngang
- Phân cực ngang: Vecto E song song với mặt phẳng nằm
ngang

+ Phân cực quay: Mặt phẳng phân cực quay xung quanh trục
của phương truyền lan
- Phân vực tròn: Khi vecto E quay, biên độ không thay đổi (vẽ
lên đường tròn)
- Phân cực elip: Khi vecto E quay, biên độ thay đổi liên tục vẽ
lên đường elip
Quay phải: Quay thuận chiều kim đồng hồ
Quay trái: Quay ngược chiều kim đồng hồ

Trang 17


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

4.2 Các tham số cơ bản

5. Phân cực anten

Trang 18


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
6. Trở kháng nguồn, trở kháng vào: (Є kích thước anten, điểm và
phương tiếp điện)

• Trở kháng nguồn: Anten là tải của máy phát, trị số trở kháng nguồn
của anten gồm 2 thành phần :
+ Thuần trở RS đặc trưng cho thành phần năng lượng cấp cho anten có thể
bức xạ thành sóng điện từ
+ Điện kháng XS (tp tồn hao) nguồn (vật dẫn)
Trở kháng nguồn ảnh hưởng tới chế độ làm việc của các thiết bị nối tới
anten

Ua
ZS =
= RS + jX S
Ia

(4.9
)

Hình 4.7. Mạch trở kháng tương đương của anten

Trang 19


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

4.2 Các tham số cơ bản
6. Trở kháng nguồn, trở kháng vào anten:

• Trở kháng vào: Anten là tải của máy phát, trở kháng vào của anten
gồm 3 thành phần
+ Thuần trở Rbx đặc trưng cho thành phần năng lượng bức xạ thành sóng
điện từ
+ Thuần trở Rth : bức xạ sinh ra phần trường gần, bị ràng buộc với anten
(vô công),
+ Điện kháng XA : tp tồn hao do chất liệu điện môi, các linh kiện phụ như
giá đỡ, bộ chiếu xạ.
Trở kháng vào ảnh hưởng tới khả năng bức xạ cùa anten.

Ua
ZA =
= Rbx + Rth + jX A
Ia

Hình 4.7. Mạch trở kháng tương đương của anten

Trang 20


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
7. Công suất bức xạ, điện trở bức xạ, hiệu suất
+ Công suất bức xạ (Pbx): Là phần công suất bức xạ thành năng lượng điện
từ

+ Công suất tổn hao (Pth): Công suất bị tiêu tán do nhiệt bởi vật dẫn, trong
các lớp điện môi …
+ Công suất đưa vào anten:

PA = Pbx + Pth

• Hiệu suất anten

Pbx
Rbx
ηA =
=
<= 1
PA Rbx + Rth

• Điện trở bức xạ:

Pbx =

Rbx I m2
2

2 Pbx
=> Rbx = 2
Im

(4.4)

(4.5)

+ Điện trở bức xạ đặc trưng cho khả năng bức xạ của anten
Trang 21


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
 Phối hợp trở kháng
+ Công suất tác dụng (công suất hấp thụ tại đầu vào anten)

1
PA = Re[V A I A* ]
2

+ Với

ZA
VA
VA = VS
;IA =
Z A + ZS
Z A + ZS
2

=>

PA =

VS RA

2 ZS + Z A

2

+ Khi có sự phối hợp trở kháng giữa anten và máy phát tức là :

Z S = Z A*
⇒công suất bức xạ cực đại :

Pbx max

| VS2 |
= PA =
8RA
Trang 22


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
8. Hệ số tính hướng, hệ số tăng ích
Nhằm đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten (trên cơ sở
so sánh với anten chuẩn (anten vô hướng).

• Hệ số tính hướng (độ định hướng)
+ Là tỉ số giữa mật độ công suất của anten tại một hướng xác định với
mật độ công suất của một anten chuẩn khi hai anten đặt cùng vị trí và
công suất bức xạ như nhau.

(4.6)

• Hệ số khuyếch đại của anten (tăng ích)
+ Định nghĩa như hệ số tính hướng nhưng hai anten có công suất đưa vào
anten như nhau và anten chuẩn có hiệu suất bằng 1

G ( θ ,ϕ ) = ηa .

S ( θ ,ϕ )
= η a .D ( θ , ϕ )
S0

(4.8)

+ Hệ số tăng ích vừa biểu hiện tính hướng, vừa biểu thị tổn hao trên anten
Trang 23


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản

8. Hệ số tính hướng, hệ số tăng ích

Đơn vị dùng cho hệ số định hướng và độ lợi: dBi, dBd, lần.
- dBi dùng để so sánh G công suất anten so với anten đẳng hướng.
- dBd dùng để so sánh G công suất anten với anten lưỡng cực.

Trang 24

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
4.2 Các tham số cơ bản
8. Hệ số tính hướng, hệ số tăng ích
Công thức thay đổi các đơn vị:

G (dBi ) = 10 lg X
=> X: số lần
Trang 25