Phân tích thiết kế và chế tạo mẫu anten cho thiết bị đầu cuối thông tin vô tuyến

...

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------

NGUYỄN VĂN NHUNG

PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MẪU ANTEN CHO THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI THÔNG
TIN VÔ TUYẾN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. PHẠM THÀNH CÔNG

HÀ NỘI – 2014

1


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan những gì được viết trong luận văn này là do sự tìm hiểu và
nghiên cứu của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả
khác, nếu có đều được trích dẫn từ nguồn gốc cụ thể.
Luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một Hội đồng bảo vệ
luận văn Thạc sỹ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thơng tin
nào.

Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những gì mà tơi đã cam đoan trên đây.
Hà Nội, ngày 24 tháng 3 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Nhung

2


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, khẩn trương với sự giúp đỡ
hướng dẫn tận tình của TS. Phạm Thành Cơng cùng với sự chỉ bảo của các thầy, cô
trong Viện Điện tử Viễn thông - Đại học Bách Khoa Hà Nội. Luận văn “Phân tích,
thiết kế và chế tạo mẫu anten cho thiết bị đầu cuối thơng tin vơ tuyến” đã cơ bản
hồn thành.
Tơi xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Thành Công đã trực tiếp hướng dẫn tơi
hồn thành luận văn này.
Tơi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo trong Viện
Điện tử - Viễn thông, Viện đào tạo sau đại học- Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo
mọi điều kiện tốt nhất cho tôi nghiên cứu, thực hiện, để hoàn thành luận văn đúng
tiến độ, cùng tập thể bạn bè đồng nghiệp đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tham gia
đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tác giả từ những công việc đầu tiên và trong suốt
thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tuy đã rất nỗ lực phấn đấu, nhưng do thời gian có hạn vì vậy luận văn khơng
tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng
góp, bổ sung của Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp và bạn đọc để luận văn được
hồn thiện hơn.
Tơi xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 24 tháng 3 năm 2014

3


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 2
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... 7
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... 8
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 10
CHƯƠNG 1 1.1

TỔNG QUAN VỀ ANTEN ......................................................... 12

Giới thiệu sơ lược về Anten ...................................................................... 12

1.1.1

Sơ lược lịch sử phát triển của Anten .................................................. 12

1.1.2

Giới thiệu hệ thống thu phát ............................................................... 12

1.1.3

Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện ..................................... 13

1.1.4

Những yêu cầu cơ bản của Anten ....................................................... 14

1.1.5

Các loại Anten ................................................................................... 15

1.2

Lý thuyết cơ bản về Anten ........................................................................ 16

1.2.1

Q trình bức xạ sóng điện từ ............................................................ 16

1.2.2

Vận tốc truyền lan sóng điện từ.......................................................... 18

1.2.3

Dải tần và dải tần công tác ................................................................. 23

1.2.3.1 Dải thông tần .................................................................................. 23
1.2.3.2 Dải tần công tác .............................................................................. 23
1.2.4

Hệ phương trình Maxwell .................................................................. 24

1.2.5

Các tham số cơ bản của Anten ........................................................... 29

1.2.5.1 Hệ số định hướng ........................................................................... 29
1.2.5.2 Hệ số tăng ích ................................................................................. 31
1.2.5.3 Băng thơng ..................................................................................... 32
1.2.5.4 Phân cực ......................................................................................... 33
1.2.5.5 Trở kháng vào ................................................................................ 37
1.2.5.6 Tỷ số sóng đứng điện áp ................................................................. 38

4


CHƯƠNG 2 2.1

TỔNG QUAN VỀ ANTEN PIFA ............................................... 39

Giới thiệu về anten PIFA .......................................................................... 39

2.1.1

Cấu tạo anten PIFA ............................................................................ 39

2.1.2

Mô hình điện ..................................................................................... 40

2.1.3

Ưu nhược điểm của anten PIFA ......................................................... 40

2.1.4

Ứng dụng của PIFA trong thực tế ...................................................... 41

2.2

Các thông số kỹ thuật của anten PIFA ...................................................... 42

2.2.1

Tần số cộng hưởng............................................................................. 42

2.2.2

Băng thông ........................................................................................ 42

2.2.3

Đồ thị bức xạ ..................................................................................... 44

2.2.4

Độ rộng búp sóng .............................................................................. 46

2.2.5

Hệ số phẩm chất Q ............................................................................. 46

2.2.6

Hiệu suất bức xạ ................................................................................ 47

2.3

Đường truyền vi dải.................................................................................. 48

2.3.1

Cấu trúc đường truyền vi dải .............................................................. 48

2.3.2

Cấu trúc trường của đường truyền vi dải ............................................ 48

2.4

Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten PIFA ................................................... 50

2.4.1

Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải.................................................. 50

2.4.2

Cấp nguồn bằng probe đồng trục........................................................ 51

2.4.3

Cấp nguồn bằng phương pháp ghép khe ............................................. 52

2.5

Tính tốn kích thước cho anten PIFA ....................................................... 53

2.6

Công nghệ đa băng cho anten PIFA .......................................................... 54

2.6.1

Sử dụng hai patch riêng rẽ ................................................................. 54

2.6.2

Cắt rãnh trên một patch ...................................................................... 55

2.6.2.1 Sử dụng rãnh L ............................................................................... 55
2.6.2.2 Sử dụng rãnh chữ U ........................................................................ 55
CHƯƠNG 3 3.1

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN PIFA ............................... 58

Thiết kế .................................................................................................... 58

5


3.2

Mơ phỏng ................................................................................................. 60

3.2.1

Mơ hình anten PIFA trong HFSS ....................................................... 60

3.2.2

Kết quả mô phỏng.............................................................................. 60

3.2.2.1 Tỉ số S11.......................................................................................... 60
3.2.2.2 Trở kháng ....................................................................................... 61
3.2.2.3 Đồ thị phương hướng ..................................................................... 61
CHƯƠNG 4 -

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................... 63

CHƯƠNG 5 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................... 64

6


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TM

Transverse Magnetic Wave

Sóng từ ngang

TE

Transverse Elctric Wave

Sóng điện ngang

TEM

Transverse Electromagnetic Wave

Sóng điện từ ngang

MoM

Moment of Method

Phương pháp moment

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử
hữu hạn

FDTD

Finite Difference Time Domain

Phương pháp miền thời
gian hữu hạn

AF

Array Factor

Hệ số mảng

2D

Two Dimensional

Hai chiều

3D

Three Dimensional

Ba chiều

Voltage Standing Wave Ratio

Tỷ số điện áp sóng đứng

Bandwidth

Băng thơng

VSWR
BW

HFSS

BW

High Frequency Structure Simulator Bộ mơ phỏng cấu trúc
tần số cao
Băng thông

Bandwidth

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thơng tin ........................................................................ 12
Hình 1.2: Các loại anten ....................................................................................... 15
Hình 1.3: Hệ thống bức xạ..................................................................................... 16
Hình 1.4: Ví dụ về mạch dao động tập trung ......................................................... 17
Hình 1.5: Sự quay của vector điện trường phân cực ellip ...................................... 34
Hình 1.6: Phân cực ellip ở z = 0............................................................................ 34
Hình 2.1: Anten PIFA ............................................................................................ 39
Hình 2.2: Mô hình điện của anten PIFA ................................................................ 40
Hình 2.3: Anten PIFA trong điện thoại di động ..................................................... 41
Hình 2.4: Cắt rãnh trên mặt phẳng ground............................................................ 43
Hình 2.5: Ground hình L ....................................................................................... 44
Hình 2.6: Ground thường ...................................................................................... 44
Hình 2.7: Hệ tọa độ cho phân tích anten ............................................................... 45
Hình 2.8: Mô hình đường truyền vi dải ................................................................. 48
Hình 2.9: Giản đồ trường của một đường truyền vi dải ......................................... 49
Hình 2.10: Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải ................................................... 50

Hình 2.11: Cấp nguồn bằng probe đồng trục......................................................... 51
Hình 2.12: Cấp nguồn bằng phương pháp ghép khe .............................................. 52
Hình 2.13: Kích thước anten PIFA ........................................................................ 53
Hình 2.14: Sử dụng hai miếng patch riêng rẽ ........................................................ 54
Hình 2.15: Sử dụng rãnh L trên patch ................................................................... 55
Hình 2.16: Sử dụng rãnh U trên patch................................................................... 55
Hình 2.17: Sử dụng một khe phân nhánh ............................................................... 56
Hình 2.18: Gấp nếp miếng Patch ........................................................................... 56
8


Hình 3.1: Cấu trúc tấm patch ................................................................................ 59
Hình 3.2: Mô hình anten PIFA trong HFSS ........................................................... 60
Hình 3.3: Đáp ứng tần số của tỉ số S11 ................................................................. 60
Hình 3.4: Đồ thị trở kháng .................................................................................... 61
Hình 3.5: Đồ thị phương hướng tại f = 900MHz.................................................... 61
Hình 3.6: Đồ thị phương hướng tại f = 1800MHz .................................................. 62

9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong nhưng năm gần đây tại Việt Nam, cùng với sự phát triển của ngành công
nghệ thông tin và ngành điện tử viễn thông, rất nhiều công nghệ mới đã ra đời nhằm
đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin của mọi người. Truyền phát thông tin vô
tuyến là phương thức truyền phát được nghiên cứu và ứng dụng rất phổ biến vì những
đặc tính ưu việt riêng của nó. Với mục đích nắm bắt và làm chủ công nghệ này, luận
văn này sẽ tập trung nghiên cứu, phân tích và mơ phỏng anten thu phát thiết bị đầu
cuối, cụ thể trong luận văn này tác giả sẽ đi vào thiết kế và mô phỏng một mẫu anten

PIFA, ứng dụng cho hệ thống thu phát vơ tuyến GSM.
2. Mục đích nghiên cứu
 Phân tính, thuật tốn các tham số của anten
 Thực hiện mơ phỏng sử dụng phần mềm
 Tối ưu hóa thiết kế dùng phần mềm
 Chế tạo mẫu và đo đạc thực
3. Đối tượng nghiên cứu
Một số tài liệu về kỹ thuật phân tích và thiết kế anten, kỹ thuật truyền phát
thông tin vô tuyến.
Các bài viết trên các báo về cơng nghệ thu phát vơ tuyến, các cơng trình nghiên
cứu về đặc tính của anten PIFA.
Kỹ thuật mơ phỏng, ứng dụng trong công tác nghiên cứu và chế tạo.
4. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Tính thực tiễn của đề tài: Trong thời gian gần đây nhu cầu về thông tin vô
tuyến đang phát triển rất nhanh trong hầu hết các lĩnh vực từ thông tin vô tuyến như
thông tin di động, truy cập Internet không dây,… Mỗi thiết bị vơ tuyến cần phải có

10


anten để thu/phát tín hiệu. Vì vậy anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong
các thiết bị truyền tin, đã có những kết quả nhất định trong việc nghiên cứu, thiết kế
và chế tạo anten nhằm thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật cao của các thiết bị đầu cuối vô
tuyến.
Cơ sở khoa học của đề tài:
 Lý thuyết về anten
 Lý thuyết tối ưu
 Công cụ mô phỏng
 Công nghệ chế tạo mạch in
 Phương pháp luận nghiên cứu logic

5. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn được chia thành 3 phần với nội dung
sau:
Chương 1: Tổng quan về Anten.
Giới thiệu sơ lược về anten, trình bày lý thuyết về anten, giới thiệu các loại
anten và một số thông số của anten.
Chương 2: Tổng quan về anten PIFA.
Trong chương này giới thiệu những điều cơ bản về anten PIFA, cấu tạo, đặc
điểm, nguyên lý hoạt động và các phương pháp cấp nguồn. Ở luận văn này sẽ tập
trung vào phân tích một anten PIFA và công nghệ đa băng cho anten.
Chương 3: Thiết kế và mơ phỏng.
Phần đầu sẽ tính tốn, thiết kế và mô phỏng cho anten PIFA. Qua mô phỏng
xác định một số thông số của anten PIFA. Trong luận văn này ta thiết kế anten PIFA
hoạt động tại hai băng tần 900MHz và 1800MHz.

11


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ANTEN
1.1

Giới thiệu sơ lược về Anten

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten
Anten là những hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ. Anten
có thể được xem như là các thiết bị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa
máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào như:
cáp đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang.
Trong nhiều ứng dụng, các anten có thể cạnh tranh với các phương tiện truyền
dẫn khác để phát và chuyển tải năng lượng trường điện từ. Thông thường suy hao

trường điện từ trong các vật liệu sẽ tăng nhanh theo tần số. Điều này được hiểu ngầm
rằng, khi tần số tăng thì việc dùng các phần dẫn sóng bằng vật liệu sẽ kém thuyết
phục và kém hiệu quả trong việc chuyển tải năng lượng trường điện từ. (Điều này
cũng có nghĩa là hiệu suất của anten cũng tăng theo tần số). Do đó thực tế anten được
ưa chuộng hơn trong việc chuyển tải các trường điện từ ở tần số cao.

1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát
Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên lạc dùng
anten được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Hình 1.1 là sơ đồ hệ thống thu phát
đơn giản.

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tin

12


Ở hệ thống phát anten đóng vai trị như là thành phần bức xạ sóng điện từ, nó
chuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian. Khi đến
anten thu thì năng lượng điện từ được biến đổi thành tín hiệu điện ở máy thu, ở đây
tín hiệu được trả về dạng ban đầu của nó.

1.1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vơ tuyến điện
Việc truyền năng lượng điện từ trong khơng 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,
cáp đồng trục, ống dẫn sóng, v.v… “chuyên chở” sóng điện từ trực tiếp trên đường
truyền dưới dạng 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 xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xây
dựng hệ thống đường truyền. Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp
khơng thể xây dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay thế

bằng cách cho sóng điện từ bức xạ ra mơi trường tự do. Sóng sẽ được truyền đi dưới
dạng sóng điện từ tự do (vơ tuyến) từ nơi phát đến nơi thu. Vậy cần phải có một thiết
bị phát sóng điện từ ra khơng gian cũng như thu nhận sóng điện từ từ khơng gian, để
đưa vào máy thu. Loại thiết bị này được gọi là anten.
Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vơ tuyến điện
nào, vì đã là hệ thống vơ tuyến có nghĩa là hệ thống đó có sử dụng sóng điện từ, thì
khơng thể khơng dùng đến thiết bị bức xạ hoặc thu sóng điện từ.
Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác
nhau.Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều
trong mặt phẳng ngang, để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu
được tín hiệu của đài phát. Song anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng
đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận
được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần
thiết.

13


Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vơ tuyến điều
khiển… thì u cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập
trung vào một góc rất hẹp trong khơng gian.
1.1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten
Những yêu cầu cơ bản đối với anten được xác định bởi nhiệm vụ của thiết bị
vô tuyến điện, chẳng hạn yêu cầu về:
 Tính định hướng
Anten của các đài truyền thanh, truyền hình phải phát xạ đều theo mọi phía
dọc mặt đất, cịn trong radar thơng tin cần phải phát xạ trong một hình quạt hẹp nhằm
để tập trung năng 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.

 Phối hợp trở kháng
Anten phải bảo đảm phát và thu năng lượng cực đại. Do đó mà có thể xem
anten như một thiết bị phối hợp giữa fide và không gian tự do
 Dải tần
Dao động điện từ biến điệu mang tin tức từ máy phát qua fide tới anten. Để
thông tin không bị méo, anten phải có một dải tần nhất định. Để chống nhiễu thường
dùng phương pháp chuyển tần số công tác hoặc để phù hợp với điều kiện chuyển sóng
mà các đài liên lạc sóng ngắn phải làm việc ở các dải tần số khác nhau vào ban ngày
và ban đêm. Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau mà khơng có sự thay
đổi đáng kể về chất lượng.
 Tính phân cực
Tính phân cực cũng phải tùy yêu cầu cụ thể. Chẳng hạn anten phải đặt trên vật
thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính (hướng vectơ điện trường khơng thay đổi
theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực trịn hay phân
cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động vẽ nên đường tròn hay elip).

14


Ngồi ra, để đảm bảo khả năng thơng tin theo kiểu tán xạ 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.
Để đánh giá 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 các đặc trưng: Đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực.
– Nhóm các tham số: Hệ số tác dụng định hướng, hiệu suất, hệ số khuếch đại,
chiều dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng, trở kháng vào…
1.1.5 Các loại Anten
Trong thực tế ta thường gặp một số loại anten như: Anten dây (thanh) anten
khe, anten vi dải, anten phản xạ, anten thấu kính, và hệ thống bức xạ.

Hình 1.2: Các loại anten

15


Hình 1.3: Hệ thống bức xạ

1.2

Lý thuyết cơ bản về Anten

1.2.1 Q trình bức xạ sóng điện từ
Về ngun lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc
từ trường biến thiên đều có khả năng bức xạ sóng điện từ. Tuy nhiên trong thực tế sự
bức xạ sóng điện từ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
Để ví dụ ta xét một mạch dao động có kích thước rất nhỏ so với bước sóng.
Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong khơng gian của tụ điện sẽ phát
sinh một điện trường biến thiên, cịn trong khơng gian của cuộn cảm sẽ phát sinh một
từ trường biến thiên. Những điện trường, từ trường này hầu như không bức xạ ra
ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch. Dòng điện dịch chuyển qua tụ
điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điện nên năng lượng điện
trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lượng từ trường tập trung
chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lịng cuộn cảm. Năng lượng của cả hệ thống sẽ
được bảo tồn nếu khơng có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch.

16


Nếu mở rộng kích thước của tụ điện (hình 1.4b) thì dịng điện dịch sẽ khơng

chỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽ lan
tỏa ra mơi trường ngồi và có thể truyền tới những điểm nằm cách xa nguồn (nguồn
điện trường là các 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 dịng điện dịch
sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong
khoảng khơng gian bên ngồi. Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng sẽ
thốt khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là khơng cịn liên hệ với các điện tích trên
hai má tụ điện nữa. Thật vậy, nếu ta quan sát các đường sức điện trường ở gần tụ điện
thì thấy chúng khơng tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là các điện tích trên hai má
tụ điện. Do đó giá trị của điện trường ở những điểm nằm trên đường sức ấy sẽ biến
thiên đồng thời với sự biến thiên của điện tích trên hai má tụ điện.

Hình 1.4: Ví dụ về mạch dao động tập trung
Nhưng nếu xét một điểm M cách xa nguồn thì có thể thấy rằng tại một thời
điểm nào đó, điện trường tại M có thể đạt một giá trị nhất định trong lúc điện tích trên
hai má tụ điện biến đổi qua lại giá trị 0. Khi ấy các đường sức điện trường sẽ khơng
cịn ràng buộc với các điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong khơng gian,
nghĩa là đã hình thành một trường xoáy. Theo quy luật của điện trường biến thiên thì
điện trường xốy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường này sẽ tiếp tục tạo ra một
điện trường xốy, nghĩa là đã hình thành một q trình sóng điện từ.

17


Phần năng lượng thốt ra ngồi và truyền đi trong không gian tự do được gọi
là năng lượng bức xạ hay năng lượng hữu công. Phần năng lượng điện từ ràng buộc
với nguồn sẽ dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc tạo thành sóng điện từ,
được gọi là năng lượng vô công.
Ta nhận thấy rằng, một hệ thống bức xạ điện từ có hiệu quả là một hệ thống
mà trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có khả năng thâm nhập được nhiều

vào khơng gian bên ngoài. Để tăng cường khả năng bức xạ của các hệ thống, ta cần
mở rộng hơn nữa không gian bao trùm của các đường sức điện trường. Dipole Hertz
là một cấu trúc bức xạ có hiệu quả. Nó được hình thành từ các hệ thống điện từ nói
trên với sự biến dạng hai tấm kim loại của tụ điện thành hai đoạn dây dẫn mảnh và
hai quả cầu kim loại ở hai đầu. Dipole Hertz là một trong các nguồn bức xạ đơn giản
nhất và là phần tử để cấu trúc thành các anten dây phức tạp.
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 kỳ của vectơ E
hoặc H trên trục của hệ toạ độ vng góc sẽ có dạng:

 k  Aei (t  z )

(1.1)

Trong đó:
ω – tần số góc, ω = 2πf 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 xác định bởi đại lượng (ω – βz).
Từ đây ta xác định được vận tốc pha của sóng:

vf 

dz
dt

(1.2)

18

Như đã biết vận tốc pha chỉ đặc trưng cho quan hệ pha của các dao động điều
hòa tại các điểm khác nhau của không gian khi các 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 các điểm khác nhau trên trục z, khi t > 0, tín hiệu ấy có dạng như
thế nào. Nói cách khác, ta sẽ xác định hàm f(t,z) nếu biết hàm f(t,0) và biết các đặc
tính của mơi trường mà sự truyền sóng xảy ra trong đó.
Áp dụng tích phân Fourier:

1
f (t ,0) 
2



 A( )e

it

d 



1



A( )e



i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 vơ số các dao động điều hịa với tần số ω và
biên độ

1



A( )d .

Nhưng khi dao động truyền lan dọc theo trục z, mỗi thành phần

1



A( )eit d tương ứng với một sóng

1



A( )ei (t   z ) d .

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

f (t , z ) 

1



A( )e


i ( t   z )

d ; z≥0

(1.4)

0

Ta thấy rằng sự truyền tín hiệu theo một hướng cho trước có liên quan đến sự
lan truyền của tất cả các thành phần điều hoà của nó.
Vì hệ số pha β = 2π/λ là hàm số của tần số, nghĩa 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(  )ei[ (  ) t   z ) d 
0

19

(1.5)


Giả sử phổ thực của tín hiệu được giới hạn bởi các tần số min  0   và

0 ( 0 là tần số trung bình của phổ). Khi đó tích

max  0   , ngồi ra 

phân trong (1.4) sẽ được lấy trong khoảng 0      0   , cịn tích phân
trong (1.5) sẽ được lấy trong khoảng 0      0   , ở đây

0 

0
v0 là giá

trị trung bình ứng với tần số trung bình 0 và vận tốc pha ở tần số ấy, 

0 . Do

đó (1.5) có dạng:
f (t , z ) 

1



0 

Re

  A( )e


i [ (  ) t   z )

d

(1.6)

0 

Coi ω như hàm số của biến β, ta hãy khai triển chuỗi ω(β) thành chuỗi lũy
thừa theo   0 .

 (  )  0 

d
d

(    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) sẽ 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 (0  0 z )
 d 0

 Re e
A
(


)
e
d



 
0 



1

Ở đây,

d
d
là đạo hàm
tại   0 .
d
d 0

Tiếp theo, ta đưa biến số tích phân mới      0 sẽ nhận được:
 d




i
t  z 

d

i (0   0 z )
 0

f (t , z )  Re e
d 
 A( )e
 




1

20


Giả thiết A( ) là hàm liên tục, biến đổi chậm. Khi đó trong khoảng nhỏ

[ ,  ] nó có thể được coi là hằng số, bằng A(  0 ) . Trong trường hợp này:
 d




i
t  z 
d


i (0   0 z )
 0

f (t , z )  Re e
d 
 A( )e
 




1

 d 
 
sin 
t  z   
2
 
 d  0
 A(  0 )
cos(0t   0 z  0 )
d

tz
d 0

(1.8)

Trong đó:

0 là argumen của số phức A(  0 )
Vì  nhỏ nên hàm số:
 d 
 
sin 
t  z   
2
 
 d  0
F (t , z )  A(  0 )
d

tz
d 0

(1.9)

sẽ là hàm biến đổi chậm theo biến số t và z. Vì vậy, có thể coi hàm số này là biên độ
của sóng cos(0t  0 z  0 ) . Với z = const, hàm F(t,z) sẽ là đường bao của tín hiệu
f(t,z) có phổ hẹp.
Từ (1.9) khi tăng thời gian, đường bao sẽ dịch chuyển theo trục z và cực đại
tại điểm

d
t  z  0.
d 0

Vận tốc chuyển động theo trục z của cực đại này bằng:
vnh 

d
d

(1.10)
  0

vnh là vận tốc nhóm. Nó xác định vận tốc truyền lan của nhóm sóng hợp thành
tín hiệu.

21


Bây giờ, ta tìm quan hệ giữa vận tốc pha và vận tốc nhóm:

 

d  


d d   

dv f

2

d
d

Suy ra:

vnh 

d

d

vf

(1.11)

 dv f
1
v f d

Nếu vận tốc pha khơng phụ thuộc tần số:

dv f
d

 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, cịn mơi 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:

vf 

v

f 
1   nh 
 f 

(1.12)

2

Còn hệ số pha:

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

2

2
c

2

2

(1.13)

Áp dụng (1.10 ) hoặc (1.11) đối với vận tốc nhóm:

f 
vnh  v 1   nh 
 f 
và

2

(1.14)

v f vnh  v 2

Như vậy, trong mơi trường khơng có đặc tính tán tần thì tín hiệu có dạng bất
kỳ sẽ truyền lan với vận tốc v và dạng của tín hiệu khơng bị biến đổi.

22


1.2.3 Dải tần và dải tần công tác
1.2.3.1 Dải thông tần
Ngồi các đặc tính bức xạ của anten về năng lượng, khi khảo sát anten còn cần
lưu ý đến một đặc tính quan trọng nữa là dải thơng tần, nghĩa là dải tần số mà trong
giới hạn ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức xạ hoặc thu phổ của tín hiệu
khơng bị méo dạng.
Thơng 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 vơ
tuyến truyền hình, …) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ, biên 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) sẽ biến đổi, làm thay đổi
dạng phổ của tín hiệu. Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào
của anten theo tần số sẽ dẫn đến tình trạng lệch phối hợp trở kháng và xuất hiện sóng
phản xạ trong fide. Khi một tín hiệu có phổ rộng truyền qua fide thì ứng với mỗi tần
số khác nhau của phổ sẽ có sự trễ pha khác nhau và gây ra méo dạng tín hiệu. Vì vậy
tốt nhất là phải bảo đảm được trong suốt dải tần số làm việc Rin  const và X in  0 .
Ngồi 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 biên độ tương đối của cường độ trường
bức xạ (hoặc thu được), đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây
méo dạng 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 cơng tác
Có nhiều trường hợp chúng ta địi hỏi anten khơng 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 hạn đó anten làm việc
với các chỉ tiêu kỹ thuật đã cho gọi là dải tần công tác của anten. Chỉ tiêu kỹ thuật
này có thể khác nhau đối với từng loại anten cụ thể. Ví dụ đối với anten chấn tử không
23


đối xứng đặt thẳng đứng dùng làm anten phát ở dải sóng dài và sóng trung thì u
cầu là trong dải tần số công tác, hiệu suất anten không được nhỏ hơn một giá trị nhất
định, anten phải có khả năng phát đi một công suất đã cho và đảm bảo dải thông tần
cần thiết. Đối với trở kháng vào thì khơng cần u cầu có giá trị nhất định mà khi
thay đổi tần số cơng tác ta có thể điều chỉnh lại để phối hợp trở kháng. Đối với chấn
tử đối xứng nằm ngang dùng trong dải sóng ngắn thì u cầu đặc tính phương hướng
của chấn tử phải có hướng bức xạ cực đại khơng thay đổi khi thay đổi tần số công tác

để đảm bảo hướng thông tin cố định, yêu cầu trở kháng vào chỉ biến đổi trong một
giới hạn cho phép để có thể mau lẹ chuyển tần số công tác mà không cần điều chỉnh
lại mạch phối hợp trở kháng của anten…
Căn cứ theo dải tần cơng tác, có thể phân loại anten thành bốn nhóm:
-

Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

f
 10%
f0

-

Anten dải tần tương đối rộng:

10% 

-

Anten dải tần rộng:

1,5 f max 4


1
f min 1

-

Anten dải tần siêu rộng:

f max 4

f min 1

f
 50%
f0

Tỷ số của tần số cực đại và cực tiểu của dải tần công tác được gọi là hệ số bao
trùm dải sóng.
1.2.4 Hệ phương trình Maxwell
Giả thiết q trình biến đổi điều hồ theo thời gian, nghĩa là theo quy luật
sinωt, cosωt hoặc viết dưới dạng phức ejωt. Nếu biểu thị dưới dạng số phức thì vectơ
tức thời của cường độ điện trường:
𝐸̅ = Re(𝐸̅̇ 𝑒 𝑖𝜔𝑡 ) = 𝐸̅̇ cos 𝜔𝑡, hoặc 𝐸̅ = Im (𝐸̅ 𝑒 𝑖𝜔𝑡 ) = 𝐸̅ sin 𝜔𝑡, trong đó 𝐸̅ là
biên độ phức của trường.

24


Đối với dao động điện từ phức tạp, ta có thể coi nó là tổng của vơ số các dao
động điều hịa, nghĩa là có thể áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị.
Coi mơi trường khảo sát đồng hướng và đẳng hướng, phương trình Maxwell
ở dạng vi phân được viết dưới dạng:
e
rot H  i p E  J 

rot E  i H 



e
divE 




divH  0

(1.15)

Trong đó:

E là biên độ phức của vectơ cường độ điện trường (V/m)
H là biên độ phức của vectơ cường độ từ trường (A/m)

 

hệ số điện thẩm phức của môi trường
 p   1  j
 

ε là hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m), với môi trường
chân không    0 

109
( F / m)
36

μ là hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)
σ là điện dẫn suất môi trường (Si/m)
e

J là biên độ phức của vectơ mật độ dòng điện (A/𝑚2 )

 e là mật độ khối của điện tích (C/𝑚3 )
Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong
một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta
đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dịng và từ tích. Khái niệm
dịng từ và từ tích chỉ có tính chất tượng trưng vì chúng khơng tồn tại trong thiên
nhiên.

25