(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tính chất bức xạ điện từ các anten có cấu trúc vi dải vật chất 604401

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trần Quốc Tự Kiều

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BỨC XẠ ĐIỆN TỪ
CÁC ANTEN CÓ CẤU TRÚC VI DẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trần Quốc Tự Kiều

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BỨC XẠ ĐIỆN TỪ
CÁC ANTEN CÓ CẤU TRÚC VI DẢI
Chuyên ngành:

Vật lý vô tuyến và điện tử

Mã số:

60440105

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ TRUNG KIÊN

Hà Nội - 2017


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Đỗ Trung Kiên, thầy đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình
làm luận văn này.
Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Vô
tuyến, các thầy, các cô trong Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQG Hà Nội. Cảm ơn các thầy, các cơ đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tơi trong
suốt q trình học tập tại trường cũng như tại bộ mơn.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, người thân cùng các bạn trong bộ môn, các
bạn cùng làm thực hành tại bộ môn những người đã giúp đỡ, chia sẻ và động viên
tơi trong q trình hồn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Trần Quốc Tự Kiều


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 7
Chƣơng 1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN ....................................................... 9
1.1. Giới thiệu chung về anten ................................................................................. 9
1.2. Hệ phƣơng trình Maxwell và nghiệm ............................................................ 11
1.3. Q trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ở anten ...................................... 13
1.4. Các thông số đặc trƣng của anten ................................................................... 13
1.4.1. Hàm tính hướng ....................................................................................... 13

1.4.2. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng ............................................. 14
1.4.3. Giản đồ bức xạ ......................................................................................... 16
1.4.4. Trở kháng vào của anten.......................................................................... 19
1.4.5. Hệ số định hướng và hệ số tăng ích ......................................................... 20
1.4.6. Mật độ cơng suất bức xạ và cường độ bức xạ ......................................... 21
1.4.7. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ........................................... 23
1.4.8. Hiệu suất của anten.................................................................................. 23
1.4.9. Tính phân cực của anten .......................................................................... 24
Chƣơng 2. ANTEN VI DẢI VÀ ANTEN MẢNG VI DẢI...................................... 26
2.1. Giới thiệu chung về anten vi dải..................................................................... 26
2.1.1. Định nghĩa về anten vi dải ....................................................................... 26
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của anten vi dải ...................................................... 27
2.1.3. Ưu và nhược điểm của anten vi dải ......................................................... 28
2.1.4. Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải .................................................... 29
2.1.5. Trường bức xạ của anten vi dải ............................................................... 29
2.1.6. Các hình dạng cơ bản của anten vi dải ................................................... 30
2.1.7. Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải .................................................... 31
2.2. Anten mảng vi dải .......................................................................................... 34
2.2.1. Định nghĩa anten mảng vi dải .................................................................. 34
2.2.2. Hệ thống tiếp điện của mảng anten vi dải ............................................... 35
1


Chƣơng 3. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KIỂM TRA CÁC THÔNG SỐ CỦA
ANTEN VI DẢI BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SIÊU CAO TẦN ADS VÀ
MATLAB .................................................................................................................. 40
3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng ADS (Advanced Design System) ............... 40
3.2. Các thông số cần thiết trong thiết kế và mô phỏng anten vi dải và mảng anten
vi dải ...................................................................................................................... 40
3.2.1. Chiều rộng patch ...................................................................................... 41

3.2.2. Chất nền ................................................................................................... 41
3.2.3. Kỹ thuật tiếp điện ..................................................................................... 42
3.2.4. Điện dẫn ................................................................................................... 43
3.2.5. Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng ...................................................... 45
3.3. Thiết kế và mô phỏng anten vi dải sử dụng phần mềm mô phỏng ADS và
Matlab .................................................................................................................... 47
3.3.1. Mô phỏng anten đơn ................................................................................ 48
3.3.2. Mô phỏng mảng anten.............................................................................. 49
3.3.3. Kiểm tra các thông số của anten vi dải .................................................... 50
3.3.4. Kiểm tra các thông số quan trọng của mảng an ten vi dải ...................... 52
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 58

2


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Các thông số anten thiết kế ...................................................................... 40
Bảng 3.2: Các thơng số sau tính tốn của anten vi dải ............................................. 47
Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của hệ sô phản xạ (S11) vào độ rộng khe (Gpf) .................. 50
Bảng 3.4: Sự phụ thuộc của hệ sô phản xạ (S11) vào độ dày lớp điện môi (h) ......... 51
Bảng 3.5: Thông số hệ số phản xạ theo tần số của anten vi dải và mảng anten
vi dải.......................................................................................................................... 53
Bảng 3.6: Độ lợi và độ định hƣớng của anten đơn và mảng anten ........................... 56

3


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Anten - thiết bị thu nhận và bức xạ sóng điện từ ........................................ 9

Hình 1.2: Đồ thị phƣơng hƣớng trong hệ tọa độ vng góc ..................................... 15
Hình 1.3: Đồ thị phƣơng hƣớng trong hệ tọa độ cực ................................................ 15
Hình 1.4: Độ rộng của đồ thị phƣơng hƣớng ............................................................ 16
Hình 1.5: Hệ thống tọa độ để phân tích anten .......................................................... 16
Hình 1.6: Giản đồ bức xạ vơ hƣớng của một anten .................................................. 17
Hình 1.7: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa .......... 17
Hình 1.8: Các búp sóng của anten bức xạ hƣớng tính .............................................. 18
Hình 1.9: Sự quay của vector điện trƣờng ................................................................ 24
Hình 1.10: Các loại phân cực .................................................................................... 25
Hình 2.1: Cấu tạo anten vi dải .................................................................................. 26
Hình 2.2: Trƣờng bức xạ E và H của anten vi dải .................................................... 27
Hình 2.3: Điện trƣờng của anten vi dải nhìn từ trên xuống ...................................... 30
Hình 2.4: Điện trƣờng của anten nhìn ngang ............................................................ 30
Hình 2.5: Các dạng anten vi dải thơng dụng............................................................. 30
Hình 2.6: Cấp nguồn dùng đƣờng truyền vi dải ....................................................... 32
Hình 2.7: Cấp nguồn dùng cáp đồng trục ................................................................. 33
Hình 2.8: Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép khe - Aperture coupled ................... 33
Hình 2.9: Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép gần - Proximity Coupled ................ 34
Hình 2.10: Dàn anten 4 phần tử ................................................................................ 35
Hình 2.11: Phối hợp trở kháng bằng đoạn phần tƣ bƣớc sóng ................................. 35
Hình 2.12: Mảng anten tiếp điện nối tiếp 8 phần tử ................................................. 37
Hình 2.13: Cấu trúc mảng anten tiếp điện song song 8 phần tử ............................... 38
Hình 2.14: Hệ thống tiếp điện song song 2 chiều ..................................................... 39
Hình 3.1: Lƣu đồ tính tốn thơng số ......................................................................... 41
Hình 3.2: Tiếp điện bằng đƣờng truyền vi dải .......................................................... 43
Hình 3.3: Patch chữ nhật và mạch tƣơng đƣơng trong mơ hình đƣờng truyền ........ 44
Hình 3.4: Patch hình chữ nhật................................................................................... 46
4

Hình 3.5: Khởi tạo các giá trị ban đầu .............................................................................. 48
Hình 3.6: Tạo file lƣu trữ thơng số của chất nền và thiết lập độ dày cho chất nền ........ 48
Hình 3.7: Thiết lập dải tần số hoạt động của anten .......................................................... 49
Hình 3.8: Tạo file chứa anten vi dải .................................................................................. 49
Hình 3.9: Tạo đƣờng truyền cho mảng anten vi dải......................................................... 50
Hình 3.10: Đồ thị thể hiện sự phụ thộc của hệ số phản xạ vào độ rộng khe .................. 51
Hình 3.11: Đồ thị thể hiện sự phụ thộc của hệ số phản xạ vào độ dày lớp điện môi ..... 52
Hình 3.12: Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số của anten vi dải ....... 52
Hình 3.13: Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số của mảng anten
vi dải .................................................................................................................................... 53
Hình 3.14: Đồ thị dải băng thơng của thiết kế anten vi dải ............................................. 54
Hình 3.15: Đồ thị dải băng thông của thiết kế mảng anten vi dải ................................... 54
Hình 3.16: Đồ thị bức xạ của anten vi dải ........................................................................ 55
Hình 3.17: Đồ thị bức xạ của anten mảng vi dải .............................................................. 55
Hình 3.18: Đồ thị Smith biểu diễn phối hợp trở kháng của anten vi dải ........................ 56
Hình 3.19: Đồ thị Smith biểu diễn phối hợp trở kháng của mảng anten vi dải .............. 56

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ý NGHĨA

TÊN TỪ VIẾT TẮT
DCS

Digital Communication System

PCS

Personal Communication System

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System

WLAN

Wireless Local Area Network

ADS

Advanced Design System

RF

Radio Frequency

EIRP

Equivalent Isotropically Radiated Power - Công suất
bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng

CW

Clockwise

CCW

Counterclockwise

MTA

Microstrip Traveling-Wave Antennas

6


MỞ ĐẦU
Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, bên
cạnh yêu cầu của kỹ thuật ngày càng cao, anten chế tạo mới ngoài việc quan tâm tới
giá thành sản xuất, tính tiện dụng của anten nhƣ độ bền, trọng lƣợng anten phải nhẹ,
kích thƣớc anten phải nhỏ gọn…cũng là mối quan tâm hàng đầu. Các anten phẳng,
chẳng hạn nhƣ anten vi dải (microstrip antenna) có các ƣu điểm hấp dẫn nhƣ kích
thƣớc nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo và dễ tích hợp lên các access-point hay các thiết
bị di động. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng đã thu hút rất nhiều sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu anten.
Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới đƣợc thiết kế thỏa
mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào, bao gồm
GSM (Global System for Mobile communication, 890 - 960 MHz), DCS (Digital
Communication System, 1710 - 1880 MHz), PCS (Personal Communication
System,1850 - 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System,
1920 - 2170 MHz), đã đƣợc phát triển và xuất bản trong nhiều tài liệu liên quan [7].
Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền
thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network,
WLAN) trong các dải tần 2.4 GHz (2400 - 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 - 5350
MHz). Anten vi dải vốn đã có băng thơng hẹp nên việc mở rộng băng thông thƣờng
là một yêu cầu hết sức quan trọng đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Do đó,
việc giảm kích thƣớc và mở rộng băng thơng đang là xu hƣớng thiết kế chính cho
các ứng dụng thực tế của anten vi dải.

Luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải hình chữ nhật bằng
đồng, cấp nguồn theo kiểu đƣờng truyền vi dải có đƣờng dây dẫn vào bằng phần
mềm mơ phỏng siêu cao tần ADS (Advanced Design System) và Matlab nhằm làm
rõ những đặc trƣng cơ bản nhƣ đặc tính bức xạ,băng thông trở kháng … của anten
vi dải.
Luận văn đƣợc trình bày thành ba chƣơng. Chƣơng 1 tìm hiểu và trình bày tổng
quan về anten: giới thiệu chung, các đặc tính, thơng số đặc trƣng của anten…
7


Chƣơng 2 tìm hiểu và trình bày về anten vi dải và anten mảng vi dải: cấu tạo,
nguyên lý hoạt động của anten vi dải, kỹ thuật tiếp điện…Chƣơng 3 trình bày về
phần mềm ADS, kết quả thiết kế và mơ phỏng mộtanten vi dải hình chữ nhật bằng
đồng, cấp nguồn theo kiểu đƣờng truyền vi dải có đƣờng dây dẫn vào bằng phần
mềm mô phỏng siêu cao tần ADS và Matlab.
Tuy nhiên do thời gian thực hiện còn hạn chế, có nhiều khó khăn về trang thiết
bị, tài liệu do đó luận văn này cịn nhiều thiếu sót cần bổ sung và chỉnh sửa mong
các quý thầy cô và bạn đọc đóng góp và chỉ bảo thêm.

8


Chương 1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN
1.1. Giới thiệu chung về anten
Việc truyền năng lƣợng điện từ trong không gian có thể đƣợc thực hiện theo
hai cách:
- Dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ nhƣ đƣờng dây song
hành, đƣờng truyền đồng trục, ống dẫn kim loại hoặc điện mơi v.v. Sóng điện từ lan
truyền trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc
- Bức xạ sóng ra khơng gian dƣới dạng sóng điện từ tự do

Nhƣ vậy, thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ từ
khơng gian bên ngồi đƣợc gọi là anten[1]. Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển
tiếp giữa khơng gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device).

Hình 1.1: Anten- thiết bị thu nhận và bức xạ sóng điện từ [3]
Thông thƣờng giữa máy phát và anten phát, cũng nhƣ giữa máy thu và anten
thu không nối trực tiếp với nhau mà đƣợc ghép với nhau qua đƣờng truyền năng
lƣợng điện từ, gọi là feeder. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao
động điện cao tần. Dao động điện sẽ đƣợc truyền đi theo feeder tới anten phát dƣới
dạng sóng điện từ ràng buộc. Ngƣợc lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ
khơng gian bên ngồi và biến đổi thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này đƣợc
truyền theo feeder tới máy thu.
9


Yêu cầu của thiết bị anten và feeder là phải thực hiện việc truyền và biến đổi
năng lƣợng với hiệu suất cao nhất và khơng gây ra méo dạng tín hiệu. Vì vậy, anten
là bộ phận quan trọng khơng thể thiếu trong tất cả các hệ thống vô tuyến điện, đồng
thời quyết định rất nhiều vào các tính chất khác nhau của tuyến thơng tin liên lạc.
Anten có nhiều hình dạng và cấu trúc khác nhau, có loại rất đơn giản nhƣng có
loại rất phức tạp [3]. Nếu phân loại dựa trên hình dạng ta có các loại anten sau:
* Anten đƣờng: là loại anten quen thuộc vì có ở khắp mọi nơi nhƣ ô tô, nhà
cửa, máy bay, tàu vũ trụ, ...Nó gồm anten đƣờng thẳng (anten lƣỡng cực), anten
vịng (Loop), anten xoắn (Helix). Trong đó anten vịng khơng những có dạng trịn
mà cịn ở dạng vng, chữ nhật, ellip,... nhƣng anten vịng trịn thì đƣợc sử dụng
rộng rãi vì có cấu trúc đơn giản.
*Anten góc mở: nó có dạng nhƣ hình nón, hình kim tự tháp hay ống dẫn sóng.
Anten này đã trở nên quen thuộc hơn trƣớc đây vì nhu cầu hình thức anten tinh vi
ngày càng tăng và việc sử dụng ở tần số cao hơn. Loại anten này rất hữu ích cho
máy bay và tàu vũ trụ.

*Anten vi dải: anten này gồm một miếng kim loại mỏng đặt trên một bề mặt đất
cách nhau bởi lớp điện mơi. Miếng kim loại có thể có nhiều hình dạng khác nhau
nhƣ hình chữ nhật, trịn, tam giác, vịng trịn,...Anten này phổ biến vì cấu tạo nhỏ
gọn, hiệu suất, chế tạo và cài đặt dễ, giá thành thấp,…Anten này có thể gắn trên
máy bay, tên lửa, vệ tinh, xe hơi, thiết bị cầm tay,...
* Antenmảng: nhiều ứng dụng địi hỏi các đặc tính bức xạ mà khơng thể đạt
đƣợc ở một anten duy nhất. Do đó giải pháp là tổng hợp các đặc tính bức xạ của các
anten trong việc sắp xếp điện và hình học hợp lý sẽ cho kết quả mong muốn.
* Anten phản xạ: do nhu cầu giao tiếp trên một khoảng cách lớn, hình thức
anten tinh vi đã đƣợc sử dụng để truyền và nhận tín hiệu phải đi hàng triệu dặm.
Dạng anten phổ biến là phản xạ parabol và phản xạ góc.
* Anten ống kính: ống kính đƣợc sử dụng chủ yếu để chuẩn trực năng lƣợng
khác nhau để ngăn chặn nó lan truyền theo các hƣớng khơng mong muốn. Nếu định
hình hình học đúng và lựa chọn vật liệu thích hợp của ống kính, họ có thể chuyển
đổi hình thức khác nhau của năng lƣợng khác nhau vào sóng mặt.
10


Nếu phân loại dựa trên kiểu bức xạ ta có hai loại anten là anten vô hƣớng
(Omni-Directional) và anten định hƣớng (Directional). Anten vơ hƣớng là anten
truyền tín hiệu RF (Radio Frequency) theo tất cả các hƣớng theo trục ngang (song
song mặt đất) để cho các máy thu đặt ở các hƣớng bất kỳ đều có thể thu đƣợc tín
hiệu của đài phát. Song, anten lại cần bức xạ định hƣớng trong mặt phẳng đứng, với
hƣớng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể thu đƣợc tín
hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lƣợng bức xạ theo các hƣớng không cần thiết.
Anten định hƣớng là loại anten có hiệu suất bức xạ hoặc thu sóng điện từ theo một
hƣớng nhất định cao hơn các hƣớng khác vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số định hƣớng
D(θ,ϕ) (mô tả kiểu bức xạ) và độ lợi G(θ,ϕ) (cho ta biết sự tổn hao của nhiệt hay
công suất bức xạ vào các búp phụ).
Với nhu cầu ngày càng cao của khoa học kỹ thuật, trong các hệ thống thông tin

vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, thơng tin viễn thơng…nhiệm vụ của
anten khơng chỉ đơn giản là biến đổi năng lƣợng điện từ cao tần thành sóng điện từ
tự do mà cịn phải bức xạ sóng ấy theo những hƣớng nhất định với các yêu cầu kỹ
thuật cho trƣớc. Trong trƣờng hợp tổng quát hiện nay, anten cần đƣợc hiểu là một tổ
hợp bao gồm nhiều hệ thống trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ
sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu
đảm bảo việc phân phối năng lƣợng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác
nhau (anten phát), hoặc hệ thống gia cơng tín hiệu (anten thu) [1].
1.2. Hệ phương trình Maxwell và nghiệm
Lý thuyết anten đƣợc xây dựng trên cơ sở những phƣơng trình cơ bản của điện
động lực học đó là các phƣơng trình Maxwell. Những phƣơng trình Maxwell đã mở
ra khả năng có thể tạo đƣợc sóng điện từ trong khơng gian [6].
Ta coi các quá trình điện từ là các q trình biến đổi điều hịa theo thời gian,
tức là tuân theo quy luật sinωt, cosωt hoặc viết dƣới dạng số phức

. Khi đó

vector tức thời của cƣờng độ điện trƣờng đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
̅
Hoặc ̅

̅

)= ̅
̅

(1.1a)

)= ̅

(1.1b)

11


Các phƣơng trình Maxwell ở dạng vi phân sẽ đƣợc viết dƣới dạng sau
̅

̅
̅

̅

(1.2a)

̅

(1.2b)

̅

(1.2c)

̅

(1.2c)

̅ là biên độ phức của vector cƣờng độ điện trƣờng (V/m);
̅ là biên độ phƣc của vector cƣờng độ từ trƣờng (A/m);
(

)là hệ số điện thẩm phức của môi trƣờng;

(1.3)

ε là hệ số thẩm tuyệt đối của môi trƣờng (F/m);
μ là hệ số từ thẩm của môi trƣờng (H/m);
σ là điện dẫn suất của môi trƣờng (Si/m);
̅ là biên độ phức của vector mật độ dòng điện (A/m2);
là mật độ khối của điện tích (C/m3);
Biết rằng nguồn tạo ra trƣờng điện từ là dịng điện tích và điện tích nhƣng trong
một số trƣờng hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, ngƣời ta
đƣa thêm vào hệ phƣơng trình Maxwell các đại lƣợng dịng từ và từ tích. Khái niệm
dịng từ và từ tích chỉ có tính chất tƣợng trƣng vì chúng không tồn tại trong thiên
nhiên. Nhƣ vậy hệ phƣơng trình Maxwell trong trƣờng hợp tổng quát sẽ đƣợc viết
lại nhƣ sau:
̅
̅

̅
̅

̅

(1.4a)

̅

(1.4b)

̅

(1.4c)

̅

(1.4d)

Giải hệ phƣơng trình Maxwell ta đƣợc nghiệm là E, H. Trong phƣơng trình
nghiệm sẽ cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E, H và cách thức lan truyền [2].
12


1.3. Q trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ở anten
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trƣờng hoặc
từ trƣờng biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ
chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
Để rõ hơn về vấn đề này ta có thể xét một ví dụ với mạch dao động thơng số tập
trung LC, có kích thƣớc nhỏ so với bƣớc sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện
động biến đổi thì trong khơng gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trƣờng biến thiên,
còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trƣờng biến thiên. Nhƣng điện từ
trƣờng này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Năng
lƣợng điện trƣờng bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lƣợng
từ trƣờng chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lịng cuộn cảm [2].
Nếu mở rộng kích thƣớc của tụ điện thì dịng dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và
tạo ra điện trƣờng biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên
ngoài. Điện trƣờng biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng
cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các
đƣờng sức điện sẽ khơng cịn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng
phải tự khép kín trong khơng gian hay là hình thành một điện trƣờng xoáy. Theo

quy luật của điện trƣờng biến thiên thì điện trƣờng xốy sẽ tạo ra một từ trƣờng biến
đổi từ trƣờng biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trƣờng xốy hình thành q trình sóng
điện từ.
Phần năng lƣợng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự
do đƣợc gọi là năng lƣợng bức xạ (năng lƣợng có ích). Phần năng lƣợng điện từ
ràng buộc với nguồn gọi là năng lƣợng hao phí [2].
1.4. Các thơng số đặc trưng của anten
1.4.1. Hàm tính hướng
Khi sử dụng anten ta cần biết anten đó bức xạ vơ hƣớng hay có hƣớng, và ở
hƣớng nào anten bức xạ là cực đại, hƣớng nào anten không bức xạ để có thể đặt
đúng vị trí anten. Muốn vậy ta phải biết tính hƣớng của anten đó. Một trong các
thơng số đặc tả hƣớng tính của anten là hàm tính hƣớng.

13


Hàm tính hƣớng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cƣờng độ trƣờng bức xạ
của anten theo các hƣớng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi,
đƣợc ký hiệu là f(θ,φ).
Hàm tính hƣớng đƣợc thể hiện ở các dạng sau:
Trong trƣờng hợp tổng quát, hàm tính hƣớng là hàm véc tơ phức, bao gồm các
thành phần theo θ và φ
f  ,    f  ,   i  f  ,   i

(1.5)

Hàm tính hƣớng biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tƣơng đối của biên độ
cƣờng độ trƣờng bức xạ theo các hƣớng khảo sát khi cự ly khảo sát khơng đổi, đó
chính là biên độ của hàm tính hƣớng phức (cụ thể hơn là modun của hàm tính
hƣớng phức).

f  ,   

f  ,    f  ,  
2

2

(1.6)

Để đơn giản cho việc khảo sát tính hƣớng của một anten cũng nhƣ thiết lập và
phân tích đồ thị phƣơng hƣớng ta thƣờng dùng một hàm biên độ chuẩn hóa, là hàm
số biểu thị biên độ cƣờng độ trƣờng ở hƣớng khảo sát trên biên độ cƣờng độ trƣờng
ở hƣớng cực đại.
F  ,   

f  ,  
f  ,  max

(1.7)

Nhƣ vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1.
1.4.2. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng
Hàm tính hƣớng cho biết giá trị cụ thể của tính hƣớng một anten, nhƣng muốn
cảm nhận trực quan tính hƣớng của một anten ta phải sử dụng đồ thị. Đồ thị phƣơng
hƣớng đƣợc vẽ bởi hàm tính hƣớng.
Đồ thị phƣơng hƣớng của anten mơ tả quan hệ giữa cƣờng độ trƣờng bức xạ
hoặc công suất bức xạ của anten trong các hƣớng khác nhau với một khoảng cách
khảo sát cố định (tính từ anten). Đồ thị phƣơng hƣớng đƣợc biểu diễn trong không
gian ba chiều (có dạng hình khối) nhƣng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ. Thông
thƣờng, đồ thị phƣơng hƣớng là một mặt cắt của đồ thị hƣớng tính ba chiều.Đó là

đồ thị hƣớng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vng góc, loại
đồ thị có thể hiển thị dễ dàng trên giấy.
14


1,0
0,75
0,50
0,25
-90

-60 -30

0

30

60

o
90

Hình 1.2: Đồ thị phƣơng hƣớng trong hệ tọa độ vng góc

Hình 1.3: Đồ thị phƣơng hƣớng trong hệ tọa độ cực
Để đơn giản đồ thị phƣơng hƣớng thƣờng đƣợc vẽ từ hàm tính hƣớng biên độ
chuẩn hóa và đƣợc gọi là đồ thị phƣơng hƣớng chuẩn hóa của anten. Nó cho phép
so sánh đồ thị phƣơng hƣớng của các anten khác nhau.
Từ đồ thị phƣơng hƣớng trên Hình 1.3 nhận thấy rằng, giá trị trƣờng bức xạ
biến đổi theo sự biến đổi của các góc phƣơng hƣớng khác nhau. Vì vậy để đánh giá

dạng của đồ thị phƣơng hƣớng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ
rộng của đồ thị phƣơng hƣớng hay còn gọi là độ rộng búp sóng. Độ rộng búp sóng
đƣợc xác định bởi góc giữa hai hƣớng mà theo hai hƣớng đó cƣờng độ trƣờng hoặc
cơng suất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định. Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp
sóng, thƣờng thì độ rộng búp sóng nửa cơng suất đƣợc sử dụng. Độ rộng búp sóng
nửa cơng suất là góc giữa hai hƣớng mà theo hai hƣớng đó cơng suất bức xạ giảm đi
một nửa so với cơng suất bức xạ cực đại. Nếu tính theo giá trị của cƣờng độ điện
trƣờng thì độ rộng búp sóng này ứng với góc giữa hai hƣớng mà theo hai hƣớng đó
cƣờng độ điện trƣờng giảm đi √ lần so với giá trị cực đại của anten trong tọa độ
cực. Nhƣ vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lƣợng bức xạ theo
một hƣớng nào đó [6].
15


00

0
2 1 ( 3dB )
2

Pmax / 2

Pmax
90 0

2 0

Pmax / 2
0

180 0

Hình 1.4: Độ rộng của đồ thị phƣơng hƣớng [6]
1.4.3. Giản đồ bức xạ
Các tín hiệu vơ tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trƣờng điện từ với một
giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten đƣợc sử dụng. Giản đồ bức xạ này thể
hiện các đặc tính định hƣớng của anten. Giản đồ bức xạ của anten đƣợc định nghĩa
nhƣ sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của
anten, và là hàm của các tọa độ không gian”. Trong hầu hết các trƣờng hợp, giản đồ
bức xạ đƣợc xét ở trƣờng xa.Đặc tính bức xạ là sự phân bố năng lƣợng bức xạ trong
không gian hai chiều (2D) hay ba chiều (3D). Sự phân bố đó là hàm của vị trí quan
sát dọc theo một đƣờng hay một bề mặt có bán kính khơng đổi. Hệ tọa độ cực
thƣờng đƣợc sử dụng để thể hiện trƣờng bức xạ trong Hình 1.5.

Hình 1.5: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [3]
* Giản đồ đẳng hướng và hướng tính
Anten đẳng hƣớng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hƣớng.
Mặc dù nó là lý tƣởng và khơng thể thực hiện đƣợc về mặt vật lý, nhƣng ngƣời ta
thƣờng sử dụng nó nhƣ một tham chiếu để thể hiện đặc tính hƣớng tính của
16


antenthực.Anten hƣớng tính là “anten có đặc tính bức xạ hay thu nhận sóng điện từ
mạnh theo một vài hƣớng hơn các hƣớng cịn lại“. Một ví dụ của anten với giản đồ bức
xạ hƣớng tính đƣợc thể hiện trong Hình 1.6. Ta nhận thấy rằng giản đồ này là khơng
hƣớng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với *

+ và

hƣớng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với [

]

Hình 1.6: Giản đồ bức xạ vơ hƣớng của một anten [3]
Mặt phẳng E đƣợc định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trƣờng và hƣớng
bức xạ cực đại”, và mặt phẳng H đƣợc định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector từ
trƣờng và hƣớng bức xạ cực đại”. Trong thực tế ta thƣờng chọn hƣớng của anten thế
nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các
mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z). Một ví dụ đƣợc thể hiện trong Hình
1.6. Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với ϕ=0) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y
(với θ=π/2) là mặt phẳng H.

Hình 1.7: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [3]
17


* Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính
Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi của
anten. Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà anten phát ra. Búp sóng dọc đƣợc
đo theo độ và vng góc với mặt đất, cịn búp sóng ngang cũng đƣợc đo theo độ và
song song với mặt đất. Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp sóng khác
nhau. Việc chọn lựa anten có búp sóng rộng hay hẹp thích hợp là việc làm quan
trọng để đạt đƣợc hình dạng vùng phủ sóng mong muốn. Búp sóng càng hẹp thì độ
lợi càng cao.
Khái niệm độ rộng búp sóng: là góc hợp bởi 2 hƣớng có cƣờng độ giảm 10 dB
so với giá trị cực đại. Các búp sóng khác nhau của giản đồ bức xạ định hƣớng hay
còn gọi là các thùy (lobe) có thể phân loại thành thùy chính, thùy phụ, thùy bên và
thùy sau. Hình 1.8a minh họa giản đồ cực 3D đối xứng với một số thùy bức xạ. Một
vài thùy có cƣờng độ bức xạ lớn hơn các thùy khác. Nhƣng tất cả chúng đều đƣợc
gọi là các thùy.

(a). Thùy bức xạ và độ rộng chùm của anten [3]

(b). Giản đồ công suất, các thùy và các độ rộng chùm kết hợp với nó [3]
Hình 1.8: Các búp sóng của anten bức xạ hƣớng tính [3]
18


Thùy chính (cũng được gọi là chùm chính): Đƣợc định nghĩa là thùy chứa
hƣớng bức xạ cực đại. Trong Hình 2.9, thùy chính đang chỉ theo hƣớng θ = 0. Có
thể tồn tại nhiều hơn một thùy chính.
Thùy phụ: là bất kỳ thùy nào, ngoại trừ thùy chính. Thơng thƣờng, thùy bên là
thùy liền sát với thùy chính và định xứ ở bán cầu theo hƣớng của chùm chính. Thùy
sau là thùy bức xạ mà trục của nó tạo một góc xấp xỉ 180o so với thùy chính.
Thùy phụ thƣờng định xứ ở bán cầu theo hƣớng ngƣợc với thùy chính. Thùy
phụ thể hiện sự bức xạ theo các hƣớng khơng mong muốn, và chúng phải đƣợc tối
thiểu hóa. Thùy bên thƣờng là thùy lớn nhất trong các thùy phụ. Cấp của thùy phụ
đƣợc thể hiện bởi tỷ số của mật độ cơng suất theo hƣớng của thùy đó với mật độ
cơng suất của thùy chính. Tỷ số này đƣợc gọi là tỉ lệ thùy bên hay cấp thùy bên.
1.4.4. Trở kháng vào của anten
Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu trực tiếp hay qua fedơ, anten sẽ trở
thành tải của máy phát hoặc máy thu. Trị số của tải này đƣợc đặc trƣng bởi một đại
lƣợng gọi là trở kháng vào của anten (ZA). Trong trƣờng hợp tổng quát, trở kháng
vào là một đại lƣợng phức bao gồm cả phần thực và phần kháng, đƣợc xác định
bằng tỷ số giữa điện áp đầu vào của anten và dịng điện đầu vào.
(1.8)

(1.9)
Trở kháng vào của anten ngồi ra cịn phụ thuộc vào kích thƣớc hình học của
anten, điểm và phƣơng tiếp điện cho anten.

Thành phần thực của điện trở vào RA đƣợc xác định bởi công suất đặt vào
anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào của anten IAe
(1.10)
Thành phần kháng của trở kháng vào của anten đƣợc xác định bởi đặc tính phân
bố dịng điện và điện áp dọc theoanten (đối với anten dây) và trong một số trƣờng
hợp cụ thể có thể tính tốn theo các biểu thức của đƣờng dây truyền sóng.

19


1.4.5. Hệ số định hướng và hệ số tăng ích
* Hệ số định hướng
Bức xạ U theo một hƣớng cho trƣớc và cƣờng độ thu đƣợc nếu công suất đƣa
vào anten đƣợc bức xạ đúng hƣớng (Isotropic). Độ định hƣớng của anten đƣợc định
nghĩa nhƣ là tỉ số của của cƣờng độ bức xạ ở một hƣớng cho trƣớc trên cƣờng độ
bức xạ trung bình ở mọi hƣớng.Trong trƣờng hợp khơng đề cập đến hƣớng cụ thể
thì đƣợc hiểu là hƣớng có biên độ bức xạ cực đại.
(1.11)
(1.12)
Trong đó:
D là độ định hƣớng
D0 là độ định hƣớng cực đại
U là cƣờng độ bức xạ (W/Sr)
Umax là cƣờng độ bức xạ cực đại (W/Sr)
U0 là cƣờng độ bức xạ của anten (W/Sr)
Prad là tổng công suất bức xạ (W)
* Độ tăng ích (độ lợi)
Độ lợi của antenG là tỷ số giữa cƣờng độ bức xạ U theo một hƣớng cho trƣớc
và cƣờng độ thu đƣợc nếu công suất đƣa vào anten đƣợc bức xạ đúng hƣớng
(1.13)

Nếu anten không tổn hao, Pin=Prad thì

=

Do các tổn hao tồn tại ở các khâu phối hợp trở kháng giữa dây truyền sóng và
anten, tổn hao đƣờng truyền và tổn hao trên anten (do điện môi, sai phân cực), công
suất bức xạ (Prad) của anten luôn nhỏ hơn cơng suất nhận đƣợc từ nguồn (Pin):
PradĐể biểu diễn mối quan hệ giữa Pin và Prad ngƣời ta dùng khái niệm hiệu suất
bức xạ. Kí hiệu e.

20


,


e

(1.14)

=

(1.15)

1.4.6. Mật độ công suất bức xạ và cường độ bức xạ
*Mật độ cơng suất bức xạ
Sóng điện từ đƣợc sử dụng để truyền tải thông tin qua môi trƣờng vơ tuyến hay
cấu trúc dẫn sóng, từ điểm này tới điểm khác. Đại lƣợng đƣợc sử dụng để mô tả
năng lƣợng kết hợp với sóng điện từ là vector Poynting tức thời đƣợc định nghĩa

nhƣ sau:
W= ⃗ ⃗

(1.16)

Trong đó:
W: vector Poynting tức thời (W/m2)
E: cƣờng độ điện trƣờng tức thời (V/m)
H: cƣờng độ từ trƣờng tức thời (A/m)
Tổng công suất đi qua một mặt kín có thể thu đƣợc bằng cách tích phân thành
phần pháp tuyến với mặt kín của vector Poynting trên tồn mặt kín đó. Phƣơng
trình là:
(1.17)
Trong đó:
P: tổng công suất tức thời (W)
̂: vector đơn vị pháp tuyến với bề mặt
Da: vi phân diện tích của bề mặt.
Khi trƣờng biến đổi theo thời gian, ta thƣờng tìm mật độ năng lƣợng trung bình
bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong 1 chu kỳ và chia cho chu kỳ. Khi
trƣờng biến đổi tuần hoàn theo thời gian có dạng ejωt, ta định nghĩa các trƣờng phức
E và H, chúng có quan hệ với các thành phần tức thời E và H bởi công thức:
(1.18)
(1.19)
21


Do [*

[

]+

[

]] nên (2.14) đƣợc viết lại nhƣ sau:
(1.20)

Thành phần đầu tiên của (1.20) không biến đổi theo thời gian và thành phần thứ
hai biến đổi theo thời gian có tần số bằng 2 lần tần số ω cho trƣớc. Vector Poynting
trung bình theo thời gian (mật độ cơng suất trung bình) có thể đƣợc viết lại là:
(1.21)
Thành phần xuất hiện trong (1.20) và (1.21) bởi vì các trƣờng E và H tính
theo biên độ.
Dựa trên định nghĩa (1.21), cơng suất trung bình bức xạ bởi anten (cơng suất
bức xạ) có thể đƣợc định nghĩa là:

(1.22)

*Cường độ bức xạ
Cƣờng độ bức xạ theo một hƣớng cho trƣớc đƣợc định nghĩa nhƣ sau: “năng
lƣợng đƣợc bức xạ từ anten trên một đơn vị góc đặc”. Cƣờng độ bức xạ là tham số
trƣờng xa và đƣợc tính bằng cách đơn giản là nhân mật độ bức xạ với bình phƣơng
của khoảng cách.
U=r2Wrad
Trong đó:

(1.23a)

U là cƣờng độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc).

Wrad là mật độ bức bức xạ (W/m2).
Cƣờng độ bức xạ cũng có quan hệ với điện trƣờng trong trƣờng xa của anten
bởi:

(1.23b)

22