giáo trình anten chương 2

CHƯƠNG 2: ANTEN
1. Khái niệm về anten
2. Các đặc tính của anten
3. Lý thuyết anten
4. Hệ thống bức xạ

2:19 PM

Chương 2

1

Khái niệm
Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ ra không gian bên
ngòai cũng như thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài.
- Anten phải phối hợp trở kháng
- Anten phải có hiệu suất cao
- Anten phải có băng thông đủ lớn

Blah blah
blah bl ah

2:19 PM

Chương 2

2

1

Khái niệm
+ Phân loại Anten
- Theo mục đích sử dụng:
Anten thông tin (vệ tinh, viba,..)
Anten truyền hình
Anten phát thanh
Anten radar
Anten thiên văn,...
- Theo băng sóng:
Anten sóng cực ngắn
Anten sóng ngắn
Anten sóng trung, sóng dài,..
- Chức năng (thu, phát)
2:19 PM

Chương 2

3

Chương 2

4

Khái niệm
- Theo cấu trúc:

2:19 PM

2

Các đặc tính của anten
Trở kháng vào của anten

ZA 
PA 

VA
 RA  jX A
IA

1
Re VA I A*
2



Phối hợp trở kháng



RS

XS

IA

2

1 VS RA


2 Z A  ZS 2

RA

Z A = ZS *

VS

VA
XA

8
Không phối hợp trở kháng và Xs = 0:
PA = PS(1 - ||2)
2:19 PM

với

Z A  ZS
Z A  2Z S
Chương



5

Các đặc tính của anten
Hiệu suất anten

PR: tổng công suất bức xạ trên anten phát
PD: công suất tiêu tán trên anten  PD = PA – PR = (1 – e)PA
Chia điện trở anten thành điện trở bức xạ RR và điện trở tiêu hao RD
RA = RR + RD
Công suất tiêu tán trên anten: Công suất bức xạ trên anten:
PD = ½ RD|IA|2
PR = ½ RR|IA|2

2:19 PM

Chương 2

Công suất anten:
PA = ½ RA|IA|2

6

3


Các đặc tính của anten
Một anten có trở kháng vào là ZA = 300 + j73  trong đó điện trở tổn hao là
RD = 5 được nối với một máy phát có VS.RMS = 10V và RS = 50
a) Vẽ sơ đồ tương đương của hệ thống
b) Tính công suất bức xạ, tổn hao, tiêu thụ và hiệu suất của anten

2:19 PM

Chương 2

7

Các đặc tính của anten
Trường điện từ tạo bởi anten
Trường điện vùng xa anten:

,
,

,

,

,

2

: hàm độ lớn của trường chuẩn hoá

Trường từ vùng xa anten:

1

,

,

Z: trở kháng sóng = 120 trong không gian tự do
2:19 PM

Chương 2

8

4


Các đặc tính của anten
Mật độ bức xạ

Vector mật độ bức xạ:

1

∗

2
Mật độ bức xạ:

W
2:19 PM

Chương 2

9

Các đặc tính của anten
Mật độ bức xạ
Trường vùng xa anten:

1

,

2
1

W

,
,

2

,

Cường độ bức xạ

1
2

,
,
2:19 PM

,

,

,

: cường độ bức xạ chuẩn hoá
Chương 2

10

5


Các đặc tính của anten
Diện tích: ds = rsindrd
Tổng công suất bức xạ
d
d
r
1

,

2
1

,

2
1
2

,
,

,

,
,

2:19 PM

,

Ω

Chương 2

11

Các đặc tính của anten
Trường điện vùng xa bức xạ bởi anten cho bởi: F(,) = sin , giả
sử hiệu suất anten e = 25% và dòng tại ngõ vào anten là 1A.
Vector mật độ bức xạ:
1

,

2

,

1
2

Trong không gian tự do: Z = 120
1
240
Mật độ bức xạ:
2:19 PM

W

1
240
Chương 2

12

6


Các đặc tính của anten
Cường độ bức xạ:
1

,

240

Tổng công suất bức xạ:
1
240

,

1
90

0,011

Điện trở bức xạ:
PR = ½ RR|IA|2

RR = 2PR/|IA|2 = 1/45 = 0,022 

2:19 PM

Chương 2

13

Các đặc tính của anten
Điện trở tiêu hao:

e=

RD =

0,067Ω

Điện trở anten:
RA = RR + RD = 4/45 = 0,088 
Công suất anten:

PA = ½ RA|IA|2 = 2/45 = 0,044 W

2:19 PM

Chương 2

14

7


Các đặc tính của anten
Trường điện vùng xa bức xạ bởi anten cho bởi: F(, ) = sin + , giả
sử hiệu suất anten e = 40% và dòng tại ngõ vào anten là 0,5A.
Tính:
a. Vector mật độ bức xạ
b. Mật độ bức xạ
c. Cường độ bức xạ
d. Tổng công suất được bức xạ bởi anten
e. Điện trở bức xạ của anten
f. Điện trở tổn hao của anten
g. Điện trở ngõ vào của anten
h. Tổng công suất PA mà anten nhận từ nguồn

2:19 PM

Chương 2

15

Các đặc tính của anten
Trường điện vùng xa bức xạ bởi anten cho bởi: F(, ) = cos +2sin ,
giả sử hiệu suất anten e = 60% và dòng tại ngõ vào anten là 0,75A.
Tính:
a. Tổng công suất được bức xạ bởi anten
b. Tổng công suất PA mà anten nhận từ nguồn

2:19 PM

Chương 2

16

8


Các đặc tính của anten
Phân cực

,

,

,
 Sự phân cực sóng định nghĩa là hình ảnh do đầu của vector cường
độ điện trường tạo ra khi quan sát dọc theo phương truyền sóng.
 Tuỳ theo dạng phân cực, ta có: phân cực tuyến tính, tròn hay ellip.

2:19 PM

Chương 2

17

Các đặc tính của anten
Phân cực
 Theo trục +x
 = /2,  = 0,

,

 Theo trục +y
 = /2,  = /2,
 Theo trục –x
 = /2,  = ,
 Theo trục –y
 = /2,  = 3/2,
2:19 PM

,r=x

,

,r=y

,

, r = -x = |x|

,

, r = -y = |y|
Chương 2

18

9


Các đặc tính của anten
Phân cực
Cho trường ở vùng xa của một anten như sau:

Theo trục +x:

 = /2,  = 0,

,

,r=x

,
cos

cos

/2

Các thành phần trường có biên độ bằng nhau và lệch pha 900 nên có
dạng phân cực tròn

2:19 PM

Chương 2

19

Các đặc tính của anten
Phân cực

Theo trục +y:

 = /2,  = /2,

,

,r=y

,
cos

/2

Trường phân cực tuyến tính
2:19 PM

Chương 2

20

10

Các đặc tính của anten
Cường độ điện trường vùng xa được bức xạ bởi anten cho như sau:

Cho biết các đặc tính phân cực của anten ở hướng +x; hướng +y;
hướng –x; hướng -y
 Theo trục +x
 = /2,  = 0,
 Theo trục +y
 = /2,  = /2,
 Theo trục –x
 = /2,  = ,
 Theo trục –y
 = /2,  = 3/2,

,

,r=x
,

,r=y

,

, r = -x = |x|
,

2:19 PM

, r = -y = |y|
Chương 2

21

Các đặc tính của anten
Hệ số hướng tính
Dùng để đo các tính chất định hướng của anten khi so sánh với các
anten vô hướng

,

,

4
,

Độ lợi hướng tính
D = max(D(,))
Tính hệ số hướng tính và độ lợi hướng tính của anten có cường độ bức xạ:
U(,) = 5sin2 
2:19 PM

Chương 2

22

11

Các đặc tính của anten
Độ lợi anten
G (,) = eD(,)
Độ lợi công suất
G = G (,)

max

Công suất bức xạ vô hướng tương đương
EIRP = GPA = eDPA = DPR

2:19 PM

Chương 2

23

Các đặc tính của anten
Đồ thị bức xạ
Là biểu diễn bằng đồ thị các tính chất bức xạ của anten
01
1/2
FNBW

HPBW

01
FNBW (First Null Beam Width) = 2m - 01
HPBW (Half Power Beam Width) = 2m - 1/2
2:19 PM

Chương 2

m

1/2

24

12


Các đặc tính của anten
Đồ thị bức xạ

3dB Beamwidth

10dB Beamwidth
Peak - 3dB

Peak - 10dB

Peak

60° (eg)

Peak

120° (eg)

Peak - 3dB

Peak - 10dB

2:19 PM

Chương 2

25

Các đặc tính của anten
Diện tích hiệu dụng của anten thu

4
,

,

,

: vector phân cực của anten thu theo chiều của sóng tác động
: vector phân cực của sóng tới

: trường điện tại anten thu
Công suất thu
Sinc: mật độ công suất trung
bình trong mặt phẳng tới

2
2:19 PM

Chương 2

26

13


Các đặc tính của anten
Cho anten thu có hệ số hướng tính D(,) = 1,5sin2, hiệu suất anten 2/3,
vector phân cực = , tần số hoạt động 300 MHz. Xác định công suất phân
phối đến tải (có phối hợp trở kháng) trong các trường hợp sau:

a.
b.
c.
d.

/ 2
/ 2

G(,) = eD (,) = sin2
Sinc =
f = 300 MHz   = c/f = 1m
Có phối hợp trở kháng  PL = Pc
2:19 PM

Chương 2

27

Các đặc tính của anten
z

a.


Sóng theo hướng x:  = /2,  = 
y
,



1
x

4

,

G(,) = sin2 = 1
2:19 PM

,

Aeff = 1/4
Pc = AeffSinc = 1/9602 [W]
Chương 2

28

14


Các đặc tính của anten
z
b.



Sóng theo hướng x:  = /2,  = 
y
,

0
x

4

,

Aeff = 0

,

Pc = 0 [W]
2:19 PM

Chương 2

29

Các đặc tính của anten
c.

z

/ 2



Sóng theo hướng x:  = /2,  = 
y

/ 2
,

1/ 2
x

4

,

G(,) = sin2 = 1
2:19 PM

,

Aeff = 1/8

Pc = AeffSinc = 1/19202 [W]
Chương 2

30

15


Các đặc tính của anten
d.

z

/ 2

Sóng theo hướng {x,-z}:  = /4,  = 
y

/ 2
,
/ 2

4

,

1
x

,

G(,) = sin2 = 1/2

Aeff = 1/8
Pc = AeffSinc = 1/19202 [W]

2:19 PM

Chương 2

31

Các đặc tính của anten
Cho anten thu có hệ số hướng tính D(,) = 1,5sin2, hiệu suất anten 80%,
vector phân cực = , tần số hoạt động 400 MHz. Xác định công suất phân
phối đến tải (có phối hợp trở kháng) trong các trường hợp sau:

a.
b.
c.

/ 2
/ 2

2:19 PM

Chương 2

32

16


Lý thuyết anten
Các phương trình Maxwell

- Đối với dòng từ

 
E
rotH  
t





H
m
rotE   J  
t


 m
divH 


divE  0


- Đối với dòng điện

 e

E
 rotH  J  
t


 
H
 rotE   
t

 divH  0

  e
 divE 


2:19 PM

Chương 2

33

Lý thuyết anten
Anten dipole Hertz

z

 R

z

l

2

I0
l

2


iR

i


Là anten có chiều dài L <<  với dòng cung cấp là
hằng số I0

1
4

i

1
4

y

,

x
2:19 PM

1
4

,


Chương 2

0
34

17


Lý thuyết anten
Anten dipole Hertz
Cường độ bức xạ:

1
2

,

,

,

32

Công suất bức xạ:
,

12

32

Điện trở bức xạ:
2

(do k = 2/)

80

6
2:19 PM

Chương 2

35

Lý thuyết anten
Anten dipole Hertz

Điện trở bề mặt:
 = 0 = 4x10-7 H/m
: độ dẫn điện

2
Công suất tiêu tán:
1
2

2:19 PM

/
/

2

a: bán kính dipole
: điện trở dây trên 1 đơn vị dài

4

Chương 2

36

18


Lý thuyết anten
Anten dipole Hertz

Hiệu suất anten:

Điện trở tiêu tán:

e=

2
2
Hệ số hướng tính:

4

,

,

3
2

3
2

,

Diện tích hiệu dụng:

,

4

3
8

,

2:19 PM

,

Chương 2

37

Lý thuyết anten
Anten dipole Hertz
Một dipole Hertz có chiều dài L = 0,1m làm bằng đồng có độ dẫn điện  =
5,8x107 S/m, bán kính a = 1cm được kích thích bằng dòng I0 = 1A tại tần số 3
MHz. Tính điện trở bức xạ, điện trở tiêu tán và hiệu suất anten.

2

2
80
2:19 PM

2 . 3. 10 . 4 . 10
2.5,8. 10

4,52. 10
0,1

2 . 0,01
80

4,52. 10

7,192. 10 Ω

0,1
3. 10 /3. 10

Ω/

e=

52,33%

7,896. 10 Ω
Chương 2

38

19


Lý thuyết anten
Anten dipole Hertz
Một dipole Hertz có chiều dài L = 0,01 làm bằng đồng có độ dẫn điện  =
5,8x107 S/m, bán kính a = 1cm được kích thích bằng dòng I0 = 0,5A tại tần số
30 MHz. Tính điện trở bức xạ, điện trở tiêu tán, hiệu suất anten và hệ số
hướng tính của anten.

2:19 PM

Chương 2

39

Lý thuyết anten
Anten dipole từ

z

z



Im

l

2

2

R

1
4

i

1
4

y

Im
l


iR

i


,

x
2:19 PM

1
4

,


Chương 2

0
40

20


Lý thuyết anten
Vòng điện nguyên tố

M  R,  ,  

z

1
4



iR

y


ia 



x

1
4

I xe

I

e
dl I y

2:19 PM

1
4

,

e
v

,

0

Chương 2

41

Lý thuyết anten
Vòng từ nguyên tố

M  R,  ,  

z

1
4



1


iR

ia 



x

2:19 PM

4

y
I xm

I vm

,

m

dl I y

,
Chương 2

0

1
4
42

21


Hệ thống bức xạ

 Hệ thống có N phần tử giống nhau, được định vị khác nhau
 Dòng điện qua các phần tử Ii
 Vị trí các phần tử xác định bằng vector
2:19 PM

Chương 2

43

Hệ thống bức xạ
Thế vector tại phần tử 1:

4

ầ ử

Thế vector của hệ thống:
ARFAC θ,
Hệ số sắp xếp ARFAC(Array Factor):
ARFAC θ,
2:19 PM

Chương 2

44

22


Hệ thống bức xạ
Trường điện do phần tử 1:

Trường điện do hệ thống:
ARFAC θ,
Trường từ do hệ thống:
ARFAC θ,
1

2:19 PM

Chương 2

45

Hệ thống bức xạ
Hệ thống LCPESA:

Ii =

, i = 1, 2, …, N

d: khoảng cách giữa 2 phần tử
ARFAC θ,
 = kdcos + k0
sin 2

ARFAC θ,
2:19 PM

sin 2

/

sin 2
sin 2

Hệ số chuẩn hoá: ARFAC θ,
Chương 2

sin 2
sin 2

46

23


Hệ thống bức xạ
ARFAC θ,

sin 2
sin 2

 = kdcos + k0
3/N
0

2/N

k0



4/N

kd
z

2:19 PM

Chương 2

47

Hệ thống bức xạ
Hướng bức xạ cực đại:
 = kdcos + k0 = 0

θ

Hướng bức xạ không:
 = kdcos + k0 =  2/N

1

θ

2

FNBW = |0(-1) - 0(1)| = 2|0 - m|

2:19 PM

Chương 2

48

24


Hệ thống bức xạ
Hướng bức xạ nửa công suất:

ARFAC θ,

sin 2
sin 2

 = kdcos + k0 =  2.782/N

1

N/2 =  1.391

2

θ

1

2.782

/

HPBW = |-1/2 - 1/2| = 2|1/2 - m|

2:19 PM

Chương 2

49

Hệ thống bức xạ

Vẽ hệ số sắp xếp cho các hệ thống sau:
a. N = 4, k0 = 0, d = 0,75
b. N = 4, k0 = 0, d = 
c. N = 8, k0 = 0, d = 0,5
d. N = 8, k0 = - /4, d = 
e. N = 5, k0 = , d = 0,5
f. N = 3, k0 = /2, d = 0,5

2:19 PM

Chương 2

50

25