Anten chương 5 chương 6

CHƯƠNG 5

LÝ THUYẾT VỀ ANTEN


5.1 Giới thiệu về anten
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.


5.1 Giới thiệu về anten
* Các loại anten

Hình 4.2. Một số loại anten


5.1 Giới thiệu về anten
Quá trình vật lý bức xạ sóng điện từ
Điện trường xoáy
Là điện trường có các đường sức không bị ràng buộc với các điện tích tạo ra nó mà tự bản thân chúng khép kín.

Điều kiện tạo sóng điện từ
Quy luật của điện từ trường biến thiên, điện trường xoáy biến thiên sẽ sinh ra từ trường biến đổi. Bản thân từ trường biến đổi lại sinh ra một
điện trường xoáy mới. Quá trình lặp lại và sóng điện từ được hình thành

Quá trình truyền lan
sóng điện từ

5.1 Giới thiệu về anten
Quá trình vật lý bức xạ sóng điện từ
Khảo sát quá trình bức xạ


5.2 Các tham số cơ bản
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
đổi

ur
ur
ur
f ( θ , ϕ ) = fθ ( θ , ϕ ) .iθ + fϕ ( θ , ϕ ) .iϕ
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

Hàm biên độ tương đối (chuẩn hóa)

F ( θ ,ϕ ) =

f ( θ ,ϕ )

f ( θ , ϕ ) max

; Fmax = 1

2


5.2 Các tham số cơ bản
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) trên tọa độ Đềcác hoặc tọa độ cực
Mặt phẳng chọn vẽ đồ thị là hai mặt phẳng vuông góc đi qua hướng bức xạ cực đại của anten
Với tọa độ cực, trục chuẩn ban đầu chọn trùng với trục đối xứng của đồ thị, bắt đầu ở hướng cực đại
Thang biểu diễn có thể theo thang thập phân hay thang logarit

1,0

0,75

Đồ thị tính hướng
0,50

0,25

o
θ

-90

-60

-30

0

30

60

90


5.2 Các tham số cơ bản
Độ rộng đồ thị tính hướng
Là góc giữa hai hướng mà theo hướng đó công suất bức xạ giảm
Góc bức xạ không (2θ ): Công suất bức xạ hướng cực đại giảm đến “0”
0
Góc bức xạ nửa công suất (2θ
hay θ
): Công suất bức xạ giảm một nửa so với hướng cực đại
1/2
3dB

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

Hình 4.6. Độ rộng của đồ thị tính hướng


5.2 Các tham số cơ bản
Công suất bức xạ, điện trở bức xạ, hiệu suất

Công suất bức xạ (P ): Là phần công suất bức xạ thành năng lượng điện từ
Σ
Công suất tổn hao (P ): Công suất bị tiêu tán do nhiệt bởi vật dẫn, trong các lớp điện môi …
th
Công suất đưa vào anten:

P =P +P
a
Σ
th

Hiệu suất anten

ηa =

Điện trở bức xạ:

PΣ
1
=
Pa 1 + Pth

1 2
PΣ = I m .RΣ
2

PΣ

*Điện trở bức xạ đặc trưng cho khả năng bức xạ của anten

5.2 Các tham số cơ bản
Hệ số tính hướng, hệ số tăng ích
Hệ số tính hướng
Hệ số tính hướng 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.

S ( θ ,ϕ )
E 2 ( θ ,ϕ )
D ( θ ,ϕ ) =
; D ( θ ,ϕ ) =
;
S0
E 20
E ( θ , ϕ ) = Emax . F ( θ , ϕ )

⇔

D ( θ , ϕ ) = Dmax .F 2 ( θ , ϕ )

Hệ số khuyếch đại của anten (tăng ích)
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)

G ( θ , ϕ ) = ηa .

S ( θ ,ϕ )
= η a .D ( θ , ϕ )
S0

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


5.2 Các tham số cơ bản

Đồ thị phương hướng của anten omni-directional và anten có hướng


5.2 Các tham số cơ bản
Trở kháng vào
Anten là tải của máy phát, trị số tải đặc trưng bởi trở kháng vào của anten
Thuần trở R đặc trưng cho thành phần năng lượng bức xạ thành sóng điện từ
Điện kháng X là do phần trường gần, bị ràng buộc với anten (vô công).
Trở kháng vào ảnh hưởng tới chế độ làm việc của các thiết bị nối tới anten

Ua
Z va =
= Rva + jX va
Ia

Mạch trở kháng tương đương của anten


5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố
Chấn tử điện (dipol điện)
Là phần tử dẫn điện thẳng, rất mảnh, có độ dài l rất nhỏ hơn bước sóng. Dòng điện phân bố đều cả về biên độ và pha

z
Eθ

I

I

e

k

e
I

e
Hϕ

Hϕ
θ
r

l

Eθ

I

e
I

y

e

ϕ

Hϕ

x

Phân bố dòng điện trong chấn tử

Eθ

Bức xạ của chấn tử điện trong không gian tự do


5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố
Chấn tử điện (dipol điện)
Khảo sát trường tại điểm M
Tồn tại vecto điện trường trong mặt phẳng điện trường (θ)
Tồn tại vecto từ trường trong mặt phẳng từ trường (ϕ)

ikZ e
e − ikr
Eθ =
I l sin θ
iθ (V / m)
4π
r
Eϕ = 0
Hθ = 0
ik e
e −ikr

Hϕ =
I l sin θ
iϕ
4π
r


5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố
Chấn tử điện (dipol điện)
Khảo sát trường tại điểm M
Tồn tại vecto điện trường trong mặt phẳng điện trường (θ)
Tồn tại vecto từ trường trong mặt phẳng từ trường (ϕ)

ikZ e
e − ikr
Eθ =
I l sin θ
iθ (V / m)
4π
r
Eϕ = 0
Hθ = 0
ik e
e −ikr
Hϕ =
I l sin θ
iϕ
4π
r

5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố
Chấn tử điện (dipol điện)
Khảo sát trường tại điểm M
Tồn tại vecto điện trường trong mặt phẳng điện trường (θ)
Tồn tại vecto từ trường trong mặt phẳng từ trường (ϕ)

ikZ e
e − ikr
Eθ =
I l sin θ
iθ (V / m)
4π
r
Eϕ = 0
Hθ = 0
ik e
e −ikr
Hϕ =
I l sin θ
iϕ
4π
r


5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố
Chấn tử điện (dipol điện)
Khảo sát trường tại điểm M

Công suất bức xạ

PeΣ

2

 Eθ 2  2
πZ Ie l π 3
1
1
= ∫ ( E x H ) ds = ∫ dϕ ∫ 
÷.r sin θ dθ =
sin θ dθ
∫

÷
2s
2 0
Z
4
λ
0
0

2π

P

e

Σ

=

πZ I
3

e 2

π

2

l 
 ÷
λ 

Điện trở bức xạ

2

R

Hệ số tính hướng

e

Σ

2π Z  l 
=

 ÷
3 λ 

1 E ( θ , ϕ ) .4π .r
3
D ( θ ,ϕ ) = . h
= sin 2 θ
2
Z .PΣ
2
2

Dmax = 3 / 2

2


5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố
Chấn tử từ (dipol từ)
Là phần tử dẫn từ thẳng, rất mảnh, có độ dài l rất nhỏ hơn bước sóng. Dòng từ phân bố đều cả về biên độ và pha

z
Hθ

k

a)
I

I

m

m

Eϕ

Eϕ

θ
l
I

r

m

y

Hθ

ϕ
I

m
Eϕ
x

Phân bố dòng từ trong chấn tử

Hθ

Bức xạ của chấn tử từ trong không gian tự do


5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố
Chấn tử từ (dipol từ)
Khảo sát trường tại điểm M
Tồn tại vecto điện trường trong mặt phẳng điện trường (ϕ)
Tồn tại vecto từ trường trong mặt phẳng từ trường (θ)

ik m
e − ikr
Eϕ = −
I l sin θ
iϕ (V / m)
4π
r
Eθ = 0
Hϕ = 0
ik m
e − ikr
Hθ =
I l sin θ
iθ
4π .Z
r


5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố

Chấn tử từ (dipol từ)
Khảo sát trường tại điểm M
Nhận xét
Trường bức xạ của dipol từ là trường phân cực đường thẳng, điện trường chỉ có thành phần E ϕ và từ trường chỉ có
thành phần Hθ
Mặt phẳng H trùng với mặt phẳng kinh tuyến chứa trục chấn tử, mặt phẳng E trùng với mặt phẳng vĩ tuyến vuông
với trục chấn tử
Hàm tính hướng

f ( θ , ϕ ) = I m .l.sin θ .iθ
f ( θ , ϕ ) = I m .l . sin θ
F ( θ ) = sin θ

( ϕ = const )
( θ = const )

Trường bức xạ có hướng trong mặt phẳng H, vô hướng trong mặt phẳng E

F ( ϕ ) = const


5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố
Chấn tử từ (dipol từ)
Khảo sát trường tại điểm M
Đồ thị tính hướng
a) Trong không gian

b) Tọa độ cực
θ
z

F(θ); ϕ = const
y
ϕ
Eθ

x

Đồ thị tính hướng của dipol từ
F(ϕ) = 1;θ = const
c) Tọa độ vuông góc

F(θ)

F(ϕ)

1,0

1,0

0,8

0,8

0,6

0,6

0,4

0,4

0,2

0
θ
0
0

0
180

0
360

0,2

ϕ
0
0

0
180

0
360

0

5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố
Chấn tử từ (dipol từ)
Khảo sát trường tại điểm M
Công suất bức xạ

I m = ZI e
P

m

Σ

=

π I

m 2

3Z

2

l
 ÷
λ

Điện dẫn bức xạ
2

2π  l 

G =
 ÷
3Z  λ 
m
Σ

Hệ số tính hướng

( 1/ Ω )

1 E ( θ , ϕ ) .4π .r
3
D ( θ ,ϕ ) = . h
= sin 2 θ
2
Z .PΣ
2
2

Dmax = 3 / 2

2


5.3 Nguồn bức xạ nguyên tố
z

Nguyên tố bức xạ hỗn hợp
Trường bức xạ

M(θ,ϕ)

− ikr

ikZ e
e
I x lcosϕ ( cosθ +a )
iθ
4π
r
ikZ e
e − ikr
Eϕ =
I x l sin ϕ ( 1 + acosθ )
iϕ
4π
r
Hàm tính hướng
Eθ = −

θ

r
m
I y
y

e
I x
ϕ

x

Nguyên tố bức xạ hỗn hợp

fθ ( θ , ϕ ) = ZI lcosϕ ( cosθ +a ) iθ
e
x

fϕ ( θHàm
, ϕ ) tính
= −hướng
ZI xel sin
ϕ 1 + acosθ ) iϕ
chuẩn( hóa

cosϕ ( cosθ +a )
1+ a
sin ϕ ( 1 + acosθ )
Fϕ ( θ , ϕ ) =
1+ a
Fθ ( θ , ϕ ) =

z

z

θ

y

x


5.4 Các loại anten


5.4.1 Anten chấn tử
Khái niệm: Là một cấu trúc gồm hai vật dẫn hình dạng tùy ý
Kích thước giống nhau, đặt thẳng hàng trong không gian
Ở giữa nối với nguồn điện cao tần
Sử dụng như anten hoàn chỉnh, hay cấu tạo nên anten phức tạp
Phân bố dòng điện
Tương quan chấn tử đối xứng và đường dây song hành

l
z

a)

b)

Sự tương quan giữa chấn tử đối xứng và đường dây song hành