Nghiên cứu, phân tích và mô phỏng anten cho thông tin hàng hải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN AN THUYÊN

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ANTEN CHO THÔNG TIN
HÀNG HẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN AN THUYÊN

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ANTEN CHO THÔNG TIN
HÀNG HẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHẠM THÀNH CÔNG

Hà Nội – 2016

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ v
MỞ

U ..................................................................................................................... 1

CHƯ NG 1: T NG QUAN VỀ ANTEN H THỐNG TH NG TIN H NG HẢI
V ANTEN D NG TRONG H NG HẢI ............................................................... 2
1.1 Tổng quan về anten ............................................................................................ 2
1 1 1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten ........................................................... 2
1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát ........................................................................ 3
1.1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện ............................................. 4
1.1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten................................................................ 6
1 1 4 1 Tính định hướng.................................................................................... 6
1.1.4.2 Phối hợp trở kháng ................................................................................ 6
1.1.4.3 Dải tần ................................................................................................... 6
1.1.4.4 Tính phân cực........................................................................................ 7
1.1.5 Các lo i Anten ............................................................................................. 7
1.2 Lý thuyết cơ bản về Anten ................................................................................. 9
1.2.1 Quá trình bức x sóng điện từ ..................................................................... 9
1.2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ................................................................. 11
1.2.3 Dải tần và dải tần công tác ........................................................................ 16
1.2.3.1 Dải thông tần ....................................................................................... 16
1.2.3.2 Dải tần công tác .................................................................................. 16
1.2.4 Các tham số cơ bản của Anten .................................................................. 17
1.2.4.1 Hệ số định hướng ................................................................................ 17
1.2.4.2 Hệ số t ng ích...................................................................................... 19

1 2 4 3 B ng thông .......................................................................................... 21
1.2.4.4 Phân cực .............................................................................................. 22
1.2.4.5 Trở kháng vào ..................................................................................... 26
1.2.4.6 Tỷ số sóng đứng điện áp ..................................................................... 27
1.3 Hệ thống thông tin hàng hải............................................................................. 27
CHƯ NG 2 ANTEN MONOPOLE ......................................................................... 32
2.1 Giới thiệu về anten monopole .......................................................................... 32
Luận v n th c s

i


2.2 Cấu t o và nguyên lý ho t động ...................................................................... 32
2.3 C c tham số của anten ..................................................................................... 33
2 3 1 Hàm hướng tính ......................................................................................... 33
2 3 2 Trường bức x ........................................................................................... 33
2.3.3 Công suất bức x điện trở bức x và hệ số tính hướng ............................ 36
2.3.4 Trở kháng sóng của anten monopole ........................................................ 39
2.3.5 Chiều dài hiệu dụng của Anten monopole ................................................ 42
2.4 Kỹ thuật cấp nguồn cho anten ......................................................................... 43
CHƯ NG 3 PHÂN TÍCH M PHỎNG ANTEN MONOPOLE HOẠT ỘNG Ở
BĂNG T N VHF TẠI T N SỐ 160MHZ .............................................................. 51
3.1 Phần mềm mô phỏng HFSS ............................................................................. 51
3.2 Mục đích thiết kế ............................................................................................. 51
3.3 Thiết kế ............................................................................................................ 52
3.4 Mô phỏng ......................................................................................................... 56
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 60
T I LI U THAM KHẢO ......................................................................................... 61

Luận v n th c s

ii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TM

Transverse Magnetic Wave

Sóng từ ngang

TE

Transverse Elctric Wave

Sóng điện ngang

TEM

Transverse Electromagnetic Wave

Sóng điện từ ngang

2D
3D

Two Dimensional
Three Dimensional

HFSS

High Frequency Structure Simulator

BW

Bandwidth

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

Hai chiều
Ba chiều
Bộ mô phỏng cấu trúc
tần số cao
Băng thông
Tỷ số điện áp sóng
đứng

MSI

Maritime Safety Information

Luận v n th c s

Thông tin an toàn
hàng hải

iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 Sơ đồ hệ thống thông tin ....................................................................................4
Hình 2 Các loại anten ....................................................................................................8
Hình 3 Hệ thống bức xạ .................................................................................................8
Hình 4 Ví dụ về mạch dao động tập trung ...................................................................10
Hình 5 Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực ellip là hàm theo thời gian ...........23
Hình 6 Cấu trúc anten monopole .................................................................................32
Hình 7 Hình Đồ thị phân tích trường ...........................................................................34
Hình 8 Các dạng đồ thị phương hướng của anten ......................................................35
Hình 9 Xác định công suất bức xạ của anten ............................................................. 37
Hình 10 Sự phụ thuộc của điện trở bức xạ theo chiều dài tương đối của anten ........39
Hình 11 Sự phụ thuộc của ZvA vào chiều dài tương đối của anten ............................. 42
Hình 12 Sơ đồ mắc trực tiếp anten và cáp đồng trục, không có thiết bị chuyển đổi ...43
Hình 13 Cấu trúc biến đổi đối xứng dùng đoạn cáp chữ U .........................................45
Hình 14 Cấu trúc biến đổi đối xứng sử dụng cốc kim loại ..........................................47
Hình 15 Cấu trúc biến đổi đối xứng kiểu khe .............................................................. 48
Hình 16 Cấu trúc biến đổi đối xứng dùng cáp phụ ......................................................49
Hình 17 Giao diện chính của phần mềm HFSS ...........................................................51
Hình 18 Mô hình anten monopole dạng xoắn giữa .....................................................54
Hình 19 Mô hình xoắn dây ...........................................................................................54
Hình 20 Mô hình anten trong mô phỏng ......................................................................55
Hình 21 Cấu trúc hình học của Anten Monopole sử dụng xoắn dây ...........................55
Hình 22 Cửa sổ chương trình mô phỏng HFSS ...........................................................56
Hình 23 b) Trở kháng đầu vào anten ...........................................................................57
Hình 24 Đồ thị Radition Pattern ..................................................................................58
Hình 25 Đồ thị bức xạ dạng 3D ...................................................................................58
Hình 26 Hiệu suất của antenna ....................................................................................59

Luận v n th c s

iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Các thông số của anten....................................................................................53

Luận v n th c s

v


MỞ ĐẦU
Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu từ khi con người đã biết dùng lửa, tiếng động
âm thanh, các kí hiệu tượng hình để liên l c trao đổi. Trải qua quá trình phát triển,
nhu cầu thông tin liên l c của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế đó là
nhanh, chính x c và xa N m 1894 Maxwell đã đưa ra lý thuyết về một d ng vật
chất mới có thể lan truyền được đi xa và ngay cả trong chân không đó là sóng điện
từ thì thông tin đã có thể khắc phục được h n chế bởi khoảng c ch địa lý.
óng góp vào sự ph t triển m nh m của thông tin li n l c thì không thể không
kể tới sự ph t triển của c c thiết bị thu ph t và khả n ng truyền lan sóng điện từ bởi
l bất k một hệ thống truyền dẫn thông tin li n l c nào cũng đều sử dụng phương
thức truyền lan sóng điện từ
C c thiết bị thu ph t và truyền dẫn sóng điện từ gọi chung là Anten Anten cũng
đã xuất hiện từ lâu có thể nói nó cũng có cùng ni n đ i với thông tin liên l c mới nó
được ra đời ph t triển và được ứng dụng trong c c l nh vực kh c nhau hàng hải
cũng là một l nh vực không ngo i lệ Một trong số đó là nghi n cứu phát triển anten
monopole cho thông tin Hàng Hải

ặc điểm của anten monopole là phù hợp với hệ

thống thông tin hàng hải, dễ dàng tích hợp với hệ thống Hàng hải nó còn được sử
dụng rộng rãi trong công nghệ di động, m ng WLAN, anten thông minh.

Luận v n th c s

1


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN, HỆ THỐNG THÔNG
TIN HÀNG HẢI VÀ ANTEN DÙNG TRONG HÀNG HẢI.
1.1 Tổng quan về anten
1.1.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển của Anten
Anten là những hệ thống cho phép truyền và nhận n ng lượng điện từ. Anten
có thể được xem như là c c thiết bị dùng để truyền n ng lượng trường điện từ giữa
máy phát và máy thu mà không cần bất k phương tiện truyền dẫn tập trung nào
như: c p đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang.
Trong nhiều ứng dụng, các anten có thể c nh tranh với c c phương tiện
truyền dẫn kh c để phát và chuyển tải n ng lượng trường điện từ Thông thường suy
hao trường điện từ trong các vật liệu s t ng nhanh theo tần số

iều này được hiểu

ngầm rằng, khi tần số t ng thì việc dùng các phần dẫn sóng bằng vật liệu s kém
thuyết phục và kém hiệu quả trong việc chuyển tải n ng lượng trường điện từ ( iều
này cũng có ngh a là hiệu suất của anten cũng t ng theo tần số) Do đó thực tế anten
được ưa chuộng hơn trong việc chuyển tải c c trường điện từ ở tần số cao.
Sóng điện từ, nền tảng của lý thuyết anten được xây dựng tr n cơ sở những
phương trình cơ bản của điện học và từ học Maxwell đã hệ thống một cách khái
quát toàn bộ lý thuyết trên thành một hệ phương trình rất nổi tiếng và rất quan

trọng: hệ phương trình Maxwell Một vài mốc quan trọng trong lịch sử phát triển
của anten:
N m 1886: nhà vật lý người ức Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận và thực
nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu dùng một m ch dao động hở với lưỡng cực Hertz thì ở
vùng xa lưỡng cực s hình thành trường phát x .
Sau khi hoàn thành dụng cụ để chứng minh thí nghiệm của Hertz n m 1897
Popob nhà phát minh vô tuyến điện người Nga đã dùng c c dụng cụ này làm
phương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn và có khả n ng truyền các tín
hiệu ở khoảng cách 3 dặm.
Luận v n th c s

2


N m 1901: Guglielmo Marconi đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cách lớn. Hệ
thống này ho t động ở tần số khoảng 60 KHz.
N m 1916: Trước n m 1916 hầu hết thông tin vô tuyến chủ yếu là điện báo. Trong
n m 1916 lần đầu tiên sử dụng tín hiệu đã điều chế bi n độ để truyền tín hiệu tho i
qua sóng vô tuyến.
N m 1930: Người ta t o được nguồn phát klystron và magnetron có khả n ng ph t
ra tín hiệu với tần số lên đến GHz (gọi là dao động cao tần).
Từ 1940 đến nay: Anten đã được ứng dụng rất rộng rãi trong hệ thống thông tin vô
tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thi n v n vô tuyến điều khiển
từ xa …
1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát
Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên l c
dùng anten được sử dụng rộng rãi trong nhiều l nh vực Hình 1 1 là sơ đồ hệ thống
thu ph t đơn giản.
Ở hệ thống ph t anten đóng vai trò như là thành phần bức x sóng điện từ, nó
chuyển tín hiệu điện thành n ng lượng điện từ lan truyền trong không gian Khi đến

anten thu thì n ng lượng điện từ được biến đổi thành tín hiệu điện ở máy thu, ở đây
tín hiệu được trả về d ng ban đầu của nó.

Luận v n th c s

3


Hình 1 Sơ đồ hệ thống thông tin
1.1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện
Việc truyền n ng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện bằng hai
con đường. Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dây song
hành c p đồng trục, ống dẫn sóng v v… “chuy n chở” sóng điện từ trực tiếp trên
đường truyền dưới d ng dòng điện Sóng điện từ lan truyền trong hệ thống này
thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến).
Cách truyền này tuy có độ chính x c cao nhưng chi phí lớn trong việc xây
dựng hệ thống đường truyền Hơn nữa với khoảng c ch kh xa hay địa hình phức
t p không thể xây dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay
thế bằng c ch cho sóng điện từ bức x ra môi trường tự do. Sóng s được truyền đi
dưới d ng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi ph t đến nơi thu Vậy cần phải có
một thiết bị ph t sóng điện từ ra không gian cũng như thu nhận sóng điện từ từ
không gian để đưa vào m y thu Lo i thiết bị này được gọi là anten.
Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất k hệ thống vô tuyến
điện nào vì đã là hệ thống vô tuyến có ngh a là hệ thống đó có sử dụng sóng điện
từ, thì không thể không dùng đến thiết bị bức x hoặc thu sóng điện từ.
Luận v n th c s

4

Ví dụ, một hệ thống liên l c vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu,
anten phát và anten thu. Thông thường giữa m y ph t và anten ph t cũng như giữa
máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua
đường truyền n ng lượng điện từ gọi là fide. Trong hệ thống này, máy phát có
nhiệm vụ t o ra dao động điện cao tần Dao động điện s được truyền đi theo fide
tới anten ph t dưới d ng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi
thành sóng điện từ tự do bức x ra không gian. Cấu t o của anten s quyết định đặc
tính biến đổi n ng lượng điện từ nói trên.
Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nó tiếp thu sóng điện từ tự do
từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này s
được truyền theo fide tới máy thu, còn một phần s bức x trở l i vào không gian
(bức x thứ cấp).
Yêu cầu của thiết bị anten - fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi
n ng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo d ng tín hiệu.
Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền
thanh, truyền hình, vô tuyến thi n v n vô tuyến điều khiến từ xa…
Anten được sử dụng với các mục đích kh c nhau cũng có những yêu cầu
khác nhau. Với c c đài ph t thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức x
đồng đều trong mặt phẳng ngang để cho c c m y thu đặt ở c c hướng bất k đều có
thể thu được tín hiệu của đài ph t Song anten l i cần bức x định hướng trong mặt
phẳng đứng, với hướng cực đ i song song với mặt đất để c c đài thu tr n mặt đất có
thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ n ng lượng bức x theo c c hướng
không cần thiết.
Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến
điều khiển…thì y u cầu anten bức x với hướng tính cao ngh a là sóng bức x chỉ
tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian.

Luận v n th c s

5

Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ đơn giản là biến đổi n ng lượng điện
từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức x sóng ấy theo những hướng nhất
định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước.
Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong c c l nh vực thông tin rada điều
khiển … cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức x hay thu sóng
điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu Trong trường hợp tổng
quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống trong đó chủ yếu
nhất là hệ thống bức x , hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten, hệ thống
cung cấp tín hiệu bảo đảm việc phân phối n ng lượng cho các phần tử bức x với
các yêu cầu khác nhau, hoặc hệ thống gia công tín hiệu.
1.1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten
Những yêu cầu cơ bản đối với anten được x c định bởi nhiệm vụ của thiết bị
vô tuyến điện, chẳng h n yêu cầu về:
1.1.4.1 Tính định hƣớng
Anten của c c đài truyền thanh, truyền hình phải phát x đều theo mọi phía
dọc mặt đất, còn trong radar thông tin cần phải phát x trong một hình qu t hẹp
nhằm để tập trung n ng lượng về phía đài đối Anten cũng phải có tính chất thu định
hướng, cùng với độ chọn lọc của máy thu, tính chọn lọc theo hướng của anten là
phương tiện chống nhiễu có hiệu quả.
1.1.4.2 Phối hợp trở kháng
Anten phải bảo đảm ph t và thu n ng lượng cực đ i Do đó mà có thể xem
anten như một thiết bị phối hợp giữa fide và không gian tự do
1.1.4.3 Dải tần
Dao động điện từ biến điệu mang tin tức từ máy phát qua fide tới anten
thông tin không bị méo, anten phải có một dải tần nhất định

ể

ể chống nhiễu

thường dùng phương ph p chuyển tần số công tác hoặc để phù hợp với điều kiện
chuyển sóng mà c c đài li n l c sóng ngắn phải làm việc ở các dải tần số khác nhau
Luận v n th c s

6


vào ban ngày và ban đ m Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau mà
không có sự thay đổi đ ng kể về chất lượng.
1.1.4.4 Tính phân cực
Tính phân cực cũng phải tùy yêu cầu cụ thể. Chẳng h n anten phải đặt trên
vật thể bay phát x trường phân cực tuyến tính (hướng vectơ điện trường không
thay đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực tròn
hay phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu k dao động v n n đường tròn
hay elip).
Ngoài ra để đảm bảo khả n ng thông tin theo kiểu tán x từ các miền bất
đồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của anten phải
thay đổi theo một chương trình nhất định.
ể đ nh gi được anten thực hiện nhiệm vụ và thoả mãn các yêu cầu kỹ
thuật đề ra như thế nào ta thường dùng các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten sau
đây:
Nhóm c c đặc trưng: ặc trưng hướng đặc trưng pha đặc trưng phân cực.
Nhóm các tham số: Hệ số tác dụng định hướng, hiệu suất, hệ số khuếch đ i, chiều
dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng, trở kh ng vào…
1.1.5 Các loại Anten
Trong thực tế ta thường gặp một số lo i anten như: Anten dây (thanh) anten
khe, anten vi dải, anten phản x , anten thấu kính, và hệ thống bức x

Luận v n th c s

7


Hình 2 Các loại anten

Hình 3 Hệ thống bức xạ

Luận v n th c s

8


1.2 Lý thuyết cơ bản về Anten
1.2.1 Quá trình bức xạ sóng điện từ
Về nguyên lý, bất k hệ thống điện từ nào có khả n ng t o ra điện trường
hoặc từ trường biến thi n đều có khả n ng bức x sóng điện từ. Tuy nhiên trong
thực tế sự bức x sóng điện từ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
ể ví dụ ta xét một m ch dao động có kích thước rất nhỏ so với bước sóng.
Nếu đặt vào m ch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện s
phát sinh một điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm s phát
sinh một từ trường biến thiên. Những điện trường, từ trường này hầu như không bức
x ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong m ch. Dòng điện dịch chuyển
qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điện n n n ng
lượng điện trường bị giới h n trong khoảng không gian ấy. Còn n ng lượng từ
trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm N ng lượng
của cả hệ thống s được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và
điện môi của m ch.
Nếu mở rộng kích thước của tụ điện (hình 1 4b) thì dòng điện dịch s không

chỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận s
lan tỏa ra môi trường ngoài và có thể truyền tới những điểm nằm cách xa nguồn
(nguồn điện trường là c c điện tích biến đổi trên hai má tụ điện).
Nếu mở rộng hơn nữa kích thước của tụ điện (hình 1.4 c, d) thì dòng điện
dịch s lan tỏa ra càng nhiều và t o ra điện trường biến thiên với bi n độ lớn hơn
trong khoảng không gian b n ngoài Khi đ t tới một khoảng cách khá xa nguồn,
chúng s thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn ngh a là không còn li n hệ với c c điện
tích trên hai má tụ điện nữa. Thật vậy, nếu ta quan s t c c đường sức điện trường ở
gần tụ điện thì thấy chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là c c điện tích
trên hai má tụ điện Do đó gi trị của điện trường ở những điểm nằm tr n đường sức
ấy s biến thi n đồng thời với sự biến thiên của điện tích trên hai má tụ điện.
Luận v n th c s

9


Hình 4 Ví dụ về mạch dao động tập trung
Nhưng nếu xét một điểm M cách xa nguồn thì có thể thấy rằng t i một thời
điểm nào đó điện trường t i M có thể đ t một giá trị nhất định trong lúc điện tích
trên hai má tụ điện biến đổi qua l i giá trị 0. Khi ấy các đường sức điện trường s
không còn ràng buộc với c c điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong không
gian ngh a là đã hình thành một trường xoáy. Theo quy luật của điện trường biến
thi n thì điện trường xoáy s t o ra một từ trường biến đổi, từ trường này s tiếp tục
t o ra một điện trường xo y ngh a là đã hình thành một qu trình sóng điện từ.
Phần n ng lượng thoát ra ngoài và truyền đi trong không gian tự do được gọi
là n ng lượng bức x hay n ng lượng hữu công. Phần n ng lượng điện từ ràng buộc
với nguồn s dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc t o thành sóng điện
từ được gọi là n ng lượng vô công.
Ta nhận thấy rằng, một hệ thống bức x điện từ có hiệu quả là một hệ thống
mà trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có khả n ng thâm nhập được

nhiều vào không gian b n ngoài
Luận v n th c s

ể t ng cường khả n ng bức x của các hệ thống,
10


ta cần mở rộng hơn nữa không gian bao trùm của các đường sức điện trường.
Dipole Hertz là một cấu trúc bức x có hiệu quả Nó được hình thành từ các hệ
thống điện từ nói trên với sự biến d ng hai tấm kim lo i của tụ điện thành hai đo n
dây dẫn mảnh và hai quả cầu kim lo i ở hai đầu. Dipole Hertz là một trong các
nguồn bức x đơn giản nhất và là phần tử để cấu trúc thành các anten dây phức t p.
1.2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ
Giả sử sóng điện từ truyền lan trong môi trường không tổn hao. Trong chế độ
dao động điều hòa, giá trị tức thời của một trong các thành phần bất k của vectơ ̅
hoặc ̅̅̅ trên trục của hệ to độ vuông góc s có d ng:

 k  Aeit  z 

(1.1)

trong đó: ω – tần số góc; ω =2ᴨf với f là tần số;
β – hệ số pha
ở đây trục z được coi là hướng truyền sóng. Từ (1.1) ta thấy sự biến đổi pha của
trường dọc theo hướng truyền sóng được x c định bởi đ i lượng (ω – βz)
Từ đây ta x c định được vận tốc pha của sóng:

vf 

dz

dt

(1.2)

Như đã biết vận tốc pha chỉ đặc trưng cho quan hệ pha của c c dao động điều
hòa t i c c điểm khác nhau của không gian khi c c dao động ấy đã được sinh ra và
xác lập ở mọi nơi
Giả sử ở điểm z = 0 có tín hiệu biến đổi theo thời gian với quy luật f(t).
Khảo sát ở c c điểm khác nhau trên trục z, khi t > 0, tín hiệu ấy có d ng như
thế nào. Nói cách khác, ta s x c định hàm f(t, z) nếu biết hàm f(t,0) và biết c c đặc
tính của môi trường mà sự truyền sóng xảy ra trong đó
áp dụng tích phân Fourier
Luận v n th c s

11


1
f  t ,0  
2



 A( )e

it

d 



1





Re  A   eit d

(1.3)

0

A(ω) là mật độ phổ của hàm f(t). Theo (1.3), hàm f(t,0) là tổng của vô số các dao
động điều hòa với tần số ω và bi n độ

d(ω)

Nhưng khi dao động truyền lan dọc theo trục z, mỗi thành phần
tương ứng với một sóng.

1



A   e 

i wt   z 

d

Vì vậy hàm f(t, z) ở mỗi thời điểm bất k của trục z có thể được biểu thị dưới
d ng:

f t, z  

1





Re  A   e 

i t   z 

d ; z  0

(1.4)

0

Ta thấy rằng sự truyền tín hiệu theo một hướng cho trước có li n quan đến sự lan
truyền của tất cả các thành phần điều hoà của nó.
Vì hệ số pha β = 2ᴨ/λ là hàm số của tần số ngh a là β = β(ω), nên tích phân
theo ω trong (1 4) có thể chuyển thành tích phân theo β

f t, z  

1





Re  A   e 

i t   z 

d ; z  0

(1.5)

0

Giả sử phổ thực của tín hiệu được giới h n bởi các tần số
và

+

, ngoài ra

(

là tần số trung bình của phổ). Khi

đó tích phân trong (1 4) s được lấy trong khoảng
tích phân trong (1.5) s được lấy trong khoảng
=

là giá trị trung bình ứng với tần số trung bình

ω

+
+

, còn

, ở đây

và vận tốc pha ở tần số ấy,

Do đó (1 5) có d ng:

Luận v n th c s

12


f t, z  

1





Re  A   e 

i t   z 

d ; z  0

(1.6)

0

Coi ω như hàm số của biến β ta hãy khai triển chuỗi ω (β) thành chuỗi lũy thừa
theo β

.

f t, z  

1





Re  A   e 

i t   z 

d ; z  0

(1.7)

0

Sau đó thay (1 7) vào (1 6)
Với khoảng cách phân tích nhỏ, có thể chỉ cần lấy hai số hàng đầu trong dãy khai
triển (1.7). Khi ấy tích phân (1.6) s trở thành:
f t, z  

1



0 

Re



A   e



d
 
i  0 
(    0 )  t    0      0   z 
d 0
 



d

 0 

 d

0 

i
    0 t      0  z  
i 0t   0 z 
d


 Re e
A   e  0
d


 0 



1

Ở đây

d
d
là đ o hàm
t iβ

d
d 0

.

Tiếp theo ta đưa biến số tích phân mới ξ = β

s nhận được:

 d




i
t  z 
 i0  0 z 

 d 0

f  t , z   Re e
A   e
d 








1

Giả thiết A(ξ) là hàm li n tục, biến đổi chậm. Khi đó trong khoảng nhỏ [
nó có thể được coi là hằng số, bằng A(

Luận v n th c s

]

Trong trường hợp này

13


  i  d  t  z 




i 0t   0 z 
 d 0

f  t , z   Re  A   0  e
e
d








 d 
 
sin 
t  z   
2
 
 d  0
 A  0 
cos 0   0 z  0 
d


tz
d

1

(1.8)
trong đó
Vì

là argumen của số phức A( ).

nhỏ nên hàm số

 d 
 

sin 
t  z   
2
 d 0
 
F  t , z   A  0  
d

tz
d

(1.9)

s là hàm biến đổi chậm theo biến số t và z. Vì vậy có thể coi hàm số này là bi n độ
của sóng

t-

z-

). Với z = const, hàm F(t,z) s là đường bao của tín hiệu

f(t,z) có phổ hẹp.
Từ (1 9) khi t ng thời gian đường bao s dịch chuyển theo trục z và cực đ i t i
điểm

t – z = 0.

Vận tốc chuyển động theo trục z của cực đ i này bằng:

nh 

d
d

(1.10)
  0

là vận tốc nhóm Nó x c định vận tốc truyền lan của nhóm sóng hợpthành tín
hiệu.
Bây giờ ta tìm quan hệ giữa vận tốc pha và vận tốc nhóm.
d
d f d       d

d d   
2
Luận v n th c s

14


Suy ra:

nh 

d

d

f

 d f
1
 f d

Nếu vận tốc pha không phụ thuộc tần số :

dv f
d

(1.11)

 0 thì vnh  v f

Trong vật lý, sự phụ thuộc của vận tốc pha với tần số dao động được gọi là
sự tán tần còn môi trường mà trong đó có xảy ra hiện tượng này được gọi là môi
trường tán tần.
Hệ thống định hướng mà chúng ta đang xét cũng có đặc tính trên

f 


 f 
1   th 
 f 

(1.12)

2

Còn hệ số pha:

f 
2
 m 
  k  k     
f 1   th 
 

 a 
 f 
2

2

2
c

2

2

Áp dụng (2.10) hoặc (2 11) đối với vận tốc nhóm:

f 
nh   1   th 
 f 
Và

2

(1.13)

v f vnh  v 2

Như vậy trong môi trường không có đặc tính tán tần thì tín hiệu có d ng bất k s
truyền lan với vận tốc υ và d ng của tín hiệu không bị biến đổi.

Luận v n th c s

15


1.2.3 Dải tần và dải tần công tác
1.2.3.1 Dải thông tần
Ngoài c c đặc tính bức x của anten về n ng lượng, khi khảo sát anten còn
cần lưu ý đến một đặc tính quan trọng nữa là dải thông tần ngh a là dải tần số mà
trong giới h n ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức x hoặc thu phổ của tín
hiệu không bị méo d ng.
Thông thường trở kháng vào của mỗi anten là một hàm số của tần số Do đó
nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (tín hiệu xung, tín hiệu số, tín hiệu vô
tuyến truyền hình …) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ bi n độ tương đối
của dòng điện đặt vào anten (trong trường hợp anten là một anten phát) hoặc sức
điện động thu được (trong trường hợp anten là một anten thu) s biến đổi, làm thay
đổi d ng phổ của tín hiệu. Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng
vào của anten theo tần số s dẫn đến tình tr ng lệch phối hợp trở kháng và xuất hiện
sóng phản x trong fide. Khi một tín hiệu có phổ rộng truyền qua fide thì ứng với
mỗi tần số khác nhau của phổ s có sự trễ pha khác nhau và gây ra méo d ng tín
hiệu. Vì vậy tốt nhất là phải bảo đảm được trong suốt dải tần số làm việc
const và

=

= 0.

Ngoài ra, vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi
anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì bi n độ tương đối của cường độ trường
bức x (hoặc thu được) đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây
méo d ng tín hiệu Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm và trong
thực tế độ rộng dải tần của anten được quyết định chủ yếu bởi đặc tính phụ thuộc
của trở kháng vào anten với tần số.
1.2.3.2 Dải tần công tác
Có nhiều trường hợp chúng ta đòi hỏi anten không chỉ làm việc được ở một
tần số mà nó phải có thể làm việc ở mọi tần số khác nhau. Ứng với mỗi tần số khác
nhau ấy anten phải đảm bảo những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương
hướng, trở kháng vào, dải thông tần … Dải tần mà trong giới h n đó anten làm
Luận v n th c s

16


việc với các chỉ tiêu kỹ thuật đã cho gọi là dải tần công tác của anten. Chỉ tiêu kỹ
thuật này có thể kh c nhau đối với từng lo i anten cụ thể. Ví dụ đối với anten chấn
tử không đối xứng đặt thẳng đứng dùng làm anten phát ở dải sóng dài và sóng trung
thì yêu cầu là trong dải tần số công tác, hiệu suất anten không được nhỏ hơn một giá
trị nhất định, anten phải có khả n ng ph t đi một công suất đã cho và đảm bảo dải
thông tần cần thiết. ối với trở kháng vào thì không cần yêu cầu có giá trị nhất định
mà khi thay đổi tần số công tác ta có thể điều chỉnh l i để phối hợp trở kh ng

ối

với chấn tử đối xứng nằm ngang dùng trong dải sóng ngắn thì yêu cầu đặc tính
phương hướng của chấn tử phải có hướng bức x cực đ i không thay đổi khi thay
đổi tần số công t c để đảm bảo hướng thông tin cố định, yêu cầu trở kháng vào chỉ
biến đổi trong một giới h n cho phép để có thể mau lẹ chuyển tần số công tác mà
không cần điều chỉnh l i m ch phối hợp trở kháng của anten…
C n cứ theo dải tần công tác, có thể phân lo i anten thành bốn nhóm:
Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

Anten dải tần tương đối rộng: 10% 

Anten dải tần rộng: 1,5 

Anten dải tần siêu rộng:

f
 10%
f0
f
 50%
f0

f max 4

f min 1

f max 4

f min 1

Tỷ số của tần số cực đ i và cực tiểu của dải tần công t c được gọi là hệ số bao trùm

dải sóng.
1.2.4 Các tham số cơ bản của Anten
1.2.4.1 Hệ số định hƣớng
Hệ số định hướng của anten được định ngh a như sau: “tỉ lệ của cường độ
bức x theo một hướng cho trước so với cường độ bức x trung bình trên tất cả các
Luận v n th c s

17


hướng Cường đồ bức x trung bình bằng tổng công suất bức x bởi anten chia cho
4ᴨ. Nếu hướng không được x c định hướng của cường độ bức x cực đ i được
chọn”
ơn giản hơn hệ số định hướng của một nguồn bức x hướng tính bằng với tỉ lệ
của cường độ bức x theo một hướng cho trước (U) và cường độ bức x của một
nguồn đẳng hướng (

):

D

U 4 U

U0
Prad

(1.14)

Hướng bức x cực đ i (hướng tính cực đ i) được biểu diễn như sau:

Dmax  D0 

U max 4 U max

U0
Prad

(1.14a)

Ở đó D là hướng tính (không có thứ nguyên).
là hướng tính cực đ i (không có thứ nguyên).
U là cường độ bức x (W/đơn vị góc khối).
là cường độ bức x cực đ i (W/đơn vị góc khối).
là cường độ bức x của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc khối).

Prad là tổng công suất bức x (W).
Với nguồn đẳng hướng, hiển nhiên từ (1.14) hay (1.14a) ta nhận thấy rằng
hướng tính bằng 1 khi U,

và

bằng nhau.

Với anten có các thành phần phân cực trực giao chúng ta định ngh a hệ số
định hướng riêng (partial directivity), theo một phân cực cho trước và một hướng
cho trước, là tỉ lệ của cường độ bức x tương ứng với một phân cực cho trước chia
cho tổng cường độ bức x trung bình trên tất cả c c hướng. Với định ngh a này thì
theo một hướng cho trước “hệ số định hướng tổng là tổng của các hệ số định hướng
ri ng” Trong hệ tọa độ cầu hướng tính cực đ i

với các thành phần tọa độ θ và

ϕ của anten có thể được viết là:
Luận v n th c s

18