Nghiên cứu, thiết kế anten mảng có độ lợi lớn ứng dụng cho hệ thống thông tin ở bước sóng milimet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

VÕ THÀNH PHÁP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ANTEN MẢNG
CÓ ĐỘ LỢI LỚN ỨNG DỤNG CHO
HỆ THỐNG THƠNG TIN Ở
BƢỚC SĨNG MM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

Bình Định – Năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

VÕ THÀNH PHÁP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ANTEN MẢNG CÓ ĐỘ LỢI LỚN
ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THƠNG TIN Ở
BƢỚC SĨNG MM

Chun ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8520208

Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả đề xuất trong luận văn này là do bản
thân tôi thực hiện trong suốt thời gian làm luận văn. Các kết quả đạt đƣợc là
chính xác và trung thực.
Tác giả luận văn

Võ Thành Pháp


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô trong khoa Kỹ thuật và Công
nghệ đã tạo điều kiện, giúp đỡ và trang bị cho tôi những kiến thức quý báu.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng đã hƣớng
dẫn tận tình và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn đúng thời hạn.
Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng nhƣ năng lực bản thân nên
nội dung của bài luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót và cần hồn thiện
thêm. Kính mong sự đóng góp ý kiến của Q Thầy Cô.


iii

MỤC LỤC
CHƢƠNG 1

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. ix
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: L THUYẾT VỀ ANTEN VI DẢI ......................................... 3
1.1 T ng quan về anten ................................................................................ 3
1.1.1 Khái niệm .................................................................................... 3
1.1.2 Các thông số cơ ản của anten .................................................... 4
1.1.2.1 Trở kháng vào của anten .......................................................... 4
1.1.2.2 Hệ số định hƣớng và độ tăng ch ............................................. 5
1.1.2.3 Giản đ

ức xạ ......................................................................... 6

1.1.2.4 Mật độ công suất và cƣờng độ ức xạ ..................................... 8
1.1.2.5 Hiệu suất của anten ................................................................ 11
1.1.2.6 Ph n cực của anten................................................................. 12
1.1.2.7 Dải tần .................................................................................... 13
1.2 Anten vi ải ........................................................................................... 15
1.2.1 Giới thiệu chung về anten vi ải ............................................... 15
1.2.2 Các hình ạng cơ ản của anten vi ải...................................... 16
1.2.3 Các phƣơng pháp tiếp điện anten vi ải .................................... 18


iv

1.2.3.1 Tiếp điện bằng đƣờng vi dải .................................................. 18
1.2.3.2 Tiếp điện bằng cáp đ ng trục ................................................. 19
1.2.3.3 Tiếp điện bằng ghép khe ........................................................ 19
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG ........................................ 21

2.1. Giới thiệu về anten mảng .................................................................... 21
2.1.1 Anten mảng pha ........................................................................... 21
2.1.2 Anten mảng thích nghi................................................................. 22
2.2. Các đặc tính và nguyên lý hoạt động của anten mảng ......................... 24
2.2.1 Các đặc tính ................................................................................. 24
2.2.2 Nguyên tắc hoạt động .................................................................. 27
2.2.3 Sự chuyển dịch pha ...................................................................... 29
2.2.4 Nhân đ thị phƣơng hƣớng .......................................................... 30
2.2.5 Mảng đ ng nhất một chiều........................................................... 31
2.2.6 Vùng nhìn thấy ............................................................................. 33
2.2.7 Mảng đ ng nhất............................................................................ 34
2.2.8 Độ rộng búp sóng ......................................................................... 38
2.2.9 Lợi ích của anten mảng ................................................................ 40
2.2.10 Mạng cấp điện cho mảng ........................................................... 42
2.3. Các ứng dụng của anten mảng trong 3G, 4G ...................................... 43
2.3.1 Thực trạng thông tin i động ngày nay ........................................ 43
2.3.2 Ứng dụng của anten mảng trong thông tin i động ..................... 45
2.3.2.1 Điều khiển búp sóng ................................................................. 45


v

2.3.2.2 Khử nhiễu.................................................................................. 45
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN MẢNG 8 PHẦN TỬ CĨ HỆ SỐ TĂNG
ÍCH LỚN

................................................................................................ 49

3.1 Giới thiệu chƣơng ................................................................................. 49
3.2 Thiết kế phần tử anten đơn.................................................................... 50

3.2.1 Mơ hình anten đơn đề xuất .......................................................... 50
3.2.2 Tối ƣu anten bằng phần mềm mô phỏng ..................................... 54
3.3. Thiết kế anten mảng 8 phần tử có hệ số tăng ch lớn ........................... 57
3.3.1 Mơ hình anten mảng đề xuất ....................................................... 57
3.3.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................ 59
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 64


vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

AMC

Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo

CDMA

Code Division Muliple

Đa truy nhập phân chia theo

Access

mã

EBG

Electromagnetic Band Gap

Cấu trúc chắn dải điện từ

FDD

Frequency Division Duplex

Song công theo tần số

FDMA

Frequency Division Muliple

Đa truy nhập phân chia theo

Access

tần số

TDD

Time Division Duplex

Song công theo thời gian

TDMA

Time Division Muliple

Đa truy nhập phân chia theo

Access

thời gian


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mơ hình anten [24] ............................................................................. 3
Hình 1.2 Sơ đ trở kháng anten [24]................................................................. 4
Hình 1.3 Hệ t a độ ph n t ch anten ................................................................... 7
Hình 1.4 Giản đ

ức xạ vơ hƣớng của anten [24] ........................................... 8

Hình 1.5 Giản đ

ức xạ trong mặt ph ng E và mặt ph ng H cho anten loa ... 8

Hình 1.6 Sự quay của vector điện trƣờng ....................................................... 12
Hình 1.7 Sự quay của vector điện trƣờng ....................................................... 13
Hình 1.8 Độ rộng ăng thơng.......................................................................... 15
Hình 1.9 Cấu trúc điển hình của anten vi dải [24] .......................................... 15

Hình 1.10 Các dạng anten vi dải thơng dụng. ................................................. 17
Hình 1.11 Tiếp điện bằng đƣờng vi dải .......................................................... 18
Hình 1.12 Tiếp điện bằng cáp đ ng trục ......................................................... 19
Hình 1.13 Tiếp điện bằng ghép khe ................................................................ 20
Hình 2.1 Anten mảng pha với các chum tia đƣợc kiểm sốt .......................... 22
Hình 2.2 Mơ hình Anten thích nghi ................................................................ 23
Hình 2.3 Dạng hình h c của một mảng anten g m N phần tử........................ 27
Hình 2.4 Hệ số mảng, t ng các tín hiệu từ các anten để tạo đầu ra trong một
anten mảng pha................................................................................................ 28
Hình 2.5 Cấu hình mảng điển hình ................................................................. 29
Hình 2.6 Dịch chuyển anten ............................................................................ 29
Hình 2.7 Vùng nhìn thấy trên vòng tròn đơn vị. ............................................. 34


viii

Hình 2.8 Vùng Zero và các vùng nhìn thấy đƣợc của 8 phần tử mảng thống
nhất. ................................................................................................................. 36
Hình 2.9 Độ rộng búp sóng chính và búp sóng phụ của mảng đ ng nhất ...... 37
Hình 2.10 Ba phần tử anten tiếp nhận một sóng ph ng .................................. 40
Hình 2.11 Độ lớn của Y đƣợc biểu diễn nhƣ là một hàm của góc phát xạ θ .. 42
Hình 3.1. Mơ hình anten đơn .......................................................................... 51
Hình 3.2 Mơ phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đơn theo các k ch thƣớc đã
tính tốn lý thuyết............................................................................................ 54
Hình 3.3 Mơ phỏng khảo sát sự thay đ i hệ số phản xạ S11 với các giá trị Lpa
khác nhau......................................................................................................... 54
Hình 3.4 Kết quả mơ phỏng hệ số phản xạ S11 tại tần số 28 GHz................ 55
Hình 3.5 Mơ phỏng đ thị bức xạ của anten đơn tại tần số 28 GHz: (a) Đ thị
bức xạ 2D, ( ) Đ thị bức xạ 3D ..................................................................... 56
Hình 3.6 Mơ hình anten mảng 8 phần tử: (a) Anten mảng 1 và (b) Anten

mảng 2 ............................................................................................................. 58
Hình 3.7 Mô phỏng hệ số phản xạ S11 của anten mảng 1 .............................. 59
Hình 3.8 Mơ phỏng hệ số phản xạ S11 của anten mảng 2 .............................. 59
Hình 3.9 Mơ phỏng đ thị bức xạ của anten mảng 1: (a) Đ thị bức xạ 2D, (b)
Đ thị bức xạ 3D ............................................................................................. 60
Hình 3.10 Mơ phỏng đ thị bức xạ của anten mảng 2: (a) Đ thị bức xạ 2D,
( ) Đ thị bức xạ 3D ....................................................................................... 61


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Các tham số tính tốn lý thuyết của anten đơn (đơn vị: mm) ......... 53
Bảng 3.2 Các tham số k ch thƣớc tối ƣu của anten ......................................... 56


1

MỞ ĐẦU
Hệ thống truyền thông thế hệ thứ năm (5G) đƣợc ƣớc tính hoạt động ở
ăng tần sóng milimet trên 10 GHz để khắc phục tình trạng thiếu ăng thơng
tồn cầu trong các mạng i động khơng

y ngày nay vì ăng tần milimet có

một lƣợng lớn ph khả dụng [1-3]. Cơng nghệ ƣớc sóng milimét (mmw)
hiện đã đƣợc chấp nhận rộng rãi nhƣ một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các hệ
thống 5G. Tuy nhiên, đối với khía cạnh thiết kế anten, việc cải thiện tần số
liên lạc có thể mang lại những thách thức mới vì sóng milimet có suy hao
đƣờng truyền trong khơng gian tự do lớn hơn [4-6]. Vì ƣớc sóng của dải

mmw khá ngắn, sóng milimet có xu hƣớng truyền theo đƣờng th ng, địi hỏi
dạng bức xạ của anten phải là các tia đa tia. Vì vậy, rõ ràng là anten với nhiều
chùm tia là yếu tố quan tr ng cho truyền thông i động 5G. Do đó, anten sóng
mm với nhiều tia đã đƣợc chú ý rộng rãi. Giao tiếp i động không dây 5G
hoạt động ở dải tần rộng, thƣờng là từ 28 GHz đến 42 GHz trong khi dải tần
cụ thể khác nhau giữa các quốc gia.
Gần đ y, một số loại anten ph ng đã đƣợc thiết kế cho các ứng dụng 5G
nhƣ anten lƣỡng cực sử dụng công nghệ mạch in [8, 9], anten 5G mảng pha
[24] và anten lƣỡng cực hình T [11-13]. Các anten này có thể hoạt động ở
ăng thông rộng và hệ số tăng ch khá lớn. Bên cạnh đó, có một số nghiên cứu
tập trung vào việc nâng cao hệ số tăng ch của anten mảng bằng cách sử dụng
các kỹ thuật khác nhau nhằm ứng dụng cho hệ thống mmw, vốn có đặc tính
suy hao đƣờng truyền theo tần số là rất lớn.
Có thể thấy rằng việc nghiên cứu, thiết kế anten mảng có hệ số tăng ích
lớn hoạt động ở dải tần 28 GHz ứng dụng cho hệ thống thông tin 5G rõ ràng
là hƣớng nghiên cứu tiềm năng nhƣng cũng đặt ra nhiều thách thức trong quá
trình thiết kế cần giải quyết nhƣ thực hiện phối hợp trở kháng, thiết kế mạng
tiếp điện sử dụng bộ chia công suất, tối ƣu đ thị bức xạ,... Đ y cũng ch nh là


2

lý do mà tác giả ch n “Nghiên cứu, thiết kế anten mảng có độ lợi lớn ứng
dụng cho hệ thống thơng tin ở bƣớc sóng mm” làm đề tài luận văn tốt
nghiệp.
 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, thiết kế anten mảng vi dải cho hệ thống thông tin 5G hoạt
động ở tần số 28 GHz, có các hệ số tăng ch lớn đảm bảo cách ly c ng giữa
các phần tử bức xạ cạnh nhau trong mảng.
 Nội dung nghiên cứu

-

Nghiên cứu t ng quan về hệ thống thông tin 5G

-

Nghiên cứu về anten vi dải.

-

Nghiên cứu các phƣơng pháp thiết kế anten vi dải đơn

-

Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế mạng tiếp điện và phối hợp trở

kháng giữa mạng tiếp điện và anten
-

Thiết kế anten mảng 8 phần tử

 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
-

Anten vi dải, anten mảng đơn sử dụng mạch dải.

-

Mạng tiếp điện sử dụng bộ chia cơng suất

-

Hệ thống thơng tin 5G ƣớc sóng mm tại tần số 28 GHz

 Phần mềm sử dụng
Các kết quả đƣợc thiết kế dựa theo phần mềm mô phỏng số Ansys
Electronics Desktop. Phần mềm này chuyên dùng thiết kế, mô phỏng anten và
các linh kiện siêu cao tần khác.
 Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết t ng quan kết hợp với tính tốn thiết kế, mơ
phỏng kiểm chứng kết quả thiết kế theo lý thuyết.


3

CHƢƠNG 1: L THUYẾT VỀ ANTEN VI DẢI
1.1 Tổng q an ề anten
1.1.1

n m

Thiết bị ùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ từ khơng gian bên
ngồi đƣợc g i là anten. Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa
không gian tự do và thiết bị dẫn sóng, nhƣ thể hiện trong Hình 1.1. Thơng
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, g i là đƣờng tiếp điện (feeder).

Hình 1.1 M hình anten [24]

4

Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra ao động điện cao
tần. Dao động điện sẽ đƣợc truyền đi theo fee er tới anten phát ƣới 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 đ i thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này
đƣợc truyền theo feeder tới máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và đƣờng tiếp
điện là phải thực hiện việc truyền và biến đ i năng lƣợng với hiệu suất cao
nhất và khơng gây ra méo dạng tín hiệu. Vì vậy, anten là bộ phận quan tr ng
khơng thể thiếu trong tất cả các hệ thống vô tuyến điện, đ ng thời quyết định
rất nhiều vào các tính chất khác nhau của tuyến thông tin liên lạc.
1.1.2

n

n

1.1.2.1

anten

anten

Trở kháng vào của anten ZA bao g m cả phần thực và phần kháng là tỷ
số giữa điện áp UA đặt vào anten và ịng điện IA trong anten:

Hình 1.2 Sơ đồ trở kháng anten [24]
ZA 

UA
 R A  jX A
IA

(1.1)

Trở kháng vào của anten ngồi ra cịn phụ thuộc vào k ch thƣớc hình
h c của anten và trong một số trƣờng hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần
anten.


5

Thành phần thực của trở kháng vào RA đƣợc xác định bởi cơng suất đặt
vào anten PA và ịng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe:
RA 

PA
I Ae

(1.2)

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten đƣợc xác định bởi đặc
tính phân bố ịng điện và điện áp d c theo anten (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.
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để
có thể truyền năng lƣợng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối
hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.
1.1.2.2

- Hệ số định hƣớng
Hệ số định hƣớng của anten D(,) là số lần phải tăng công suất bức xạ
khi chuyển từ anten có hƣớng tính sang anten vơ hƣớng (anten chuẩn) để sao
cho vẫn giữ nguyên giá trị cƣờng độ trƣờng tại điểm thu ứng với hƣớng (,)
nào đó:
Pbx (1 , 1 ) E 2 (1 , 1 )
D(1 , 1 ) 

Pbx (0)
E 2 (0)

(1.3)

Trong đó:
D( 1 , 1 ) là hệ số định hƣớng của anten có hƣớng với phƣơng ( 1 , 1 );
Pbx( 1 , 1 ) và Pbx(0) là cơng suất bức xạ của anten có hƣớng tính ứng với
hƣớng ( 1 , 1 ) và cơng suất bức xạ của anten vô hƣớng tại cùng điểm xét.
E( 1 , 1 ), E(0) là cƣờng độ trƣờng tƣơng ứng của chúng.
Điều này có nghĩa là phải tăng lên D(1 , 1 ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của
anten vô hƣớng để đƣợc trƣờng bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(1 , 1 ).


6

- Độ tăng ch
Độ tăng ch của anten G(,) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất
dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hƣớng sang một anten vô
hƣớng để sao cho vẫn giữ nguyên cƣờng độ trƣờng tại điểm thu theo hƣớng đã
xác định (,):
G( ,  )   A D( ,  )

(1.4)

Độ tăng ch là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trƣng cho anten cả đặc
tính bức xạ và hiệu suất của anten. Từ (1.4) có thể thấy hệ số tăng ch luôn
nhỏ hơn hệ số định hƣớng. Nếu ta biết tăng ch của anten trong dải tần xác
định ta có thể t nh đƣợc Pbx theo cơng thức sau:
Pbx  PA .G A

(1.5)

1.1.2.3
Các tín hiệu vơ tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trƣờng điện từ
với một giản đ xác định, và phụ thuộc vào loại anten đƣợc sử dụng. Giản đ
bức xạ này thể hiện các đặc t nh định hƣớng của anten. Giản đ bức xạ của
anten đƣợc định nghĩa nhƣ sau: là một hàm toán h c hay sự thể hiện đ h a
của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các t a độ không gian.
Trong hầu hết các trƣờng hợp, giản đ 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 d c theo một đƣờng
hay một bề mặt có án k nh khơng đ i. Hệ t a độ cực thƣờng đƣợc sử dụng
để thể hiện trƣờng ức xạ nhƣ trong Hình 1.3.
 Giản đ hƣớng và hƣớng t nh
Anten đ ng hƣớng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các
hƣớng. Mặc ù 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


7

hƣớng tính của anten thực. Anten hƣớng tính là anten có đặc tính bức xạ hay
thu nhận sóng điện từ mạnh theo một vài hƣớng hơn các hƣớng còn lại. Một
ví dụ của anten với giản đ bức xạ hƣớng t nh đƣợc thể hiện trong Hình 1.4.
Ta nhận thấy rằng giản đ này là khơng hƣớng tính trong mặt ph ng chứa
vector H(azimuth plane) với [f(
vector E(elevation plane) với [g

] và hƣớng t nh trong mặt ph ng chứa
].

Hình 1.3 Hệ tọa độ ph n t ch anten

Mặt ph ng E đƣợc định nghĩa là mặt ph ng chứa vector điện trƣờng và
hƣớng bức xạ cực đại, và mặt ph ng H đƣợc định nghĩa là mặt ph ng chứa
vector từ trƣờng và hƣớng bức xạ cực đại. Trong thực tế ta thƣờng ch n
hƣớng của anten thế nào để ít nhất một trong các mặt ph ng E hay mặt ph ng
H trùng với một trong các mặt ph ng t a độ (mặt ph ng x hay y hay z). Một


8

ví dụ đƣợc thể hiện trong Hình 1.4. Trong ví dụ này, mặt ph ng x-z (với 0
)là mặt ph ng E và mặt ph ng x-y (với θ = π/2 ) là mặt ph ng H.

Hình 1.4 Giản đồ bức ạ

hƣớng c a anten [24]

Hình 1.5 Giản đồ bức ạ trong m t ph ng E

m t ph ng H cho anten loa

1.1.2.4
 Mật độ cơng suất bức xạ
Sóng điện từ đƣợc sử dụng để truyền tải thông tin qua môi trƣờng vô
tuyến từ điểm này đến 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:


9

(1.6)
Trong đó,

là vector Poynting tức thời

trƣờng tức thời

⁄

,

là cƣờng độ điện

là cƣờng độ từ trƣờng tức thời

và

.

T ng 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 mặt k n đó.
∯
Trong đó,

∯

̂

(1.7)

là t ng công suất tức thời

tuyến với bề mặt,

, ̂ là vector đơn vị pháp

là vi phân diện tích của bề mặt

.

Khi trƣờng biến đ i theo thời gian, ta thƣờng tìm mật độ năng lƣợng
trung bình bằng cách tích phân vector Poynting tức thời trong một chu kỳ và
chia cho chu kỳ. Khi trƣờng biến đ i tuần hoàn theo thời gian có dạng
định nghĩa các trƣờng phức
và

và

, ta

có quan hệ với các thành phần tức thời

bởi cơng thức:

Ta có

[

]

[

]

(1.8)

[

]

(1.9)

[
[

]. Khi đó (1.6) có thể viết lại là:
]

[

]

(1.10)

Thành phần đầu tiên của (1.10) không biến đ i theo thời gian, và thành
phần thứ hai biến đ i theo thời gian có tần số bằng 2 lần tần số

cho trƣớc.

Vector Poynting trung bình theo thời gian (mật độ cơng suất trung bình) có
thể đƣợc viết lại là:
[

]

(1.11)


10

Thành phần ⁄ xuất hiện trong (1.10) và (1.11) bởi vì các trƣờng

và

t nh theo iên độ.
Dựa trên định nghĩa (1.6), cơng suất trung bình bức xạ bởi anten (cơng
suất bức xạ) có thể đƣợc định nghĩa là:
∯

∯

̂
(1.12)

∯
 Cƣờng 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 ình phƣơng của khoảng cách.
U=

(1.13)

Trong đó: U là cƣờng độ bức xạ (W/đơn vị góc đặc).
là mật độ bức xạ (W/

).

Cƣờng độ bức xạ cũng có quan hệ với điện trƣờng trong trƣờng khu xa
của anten theo công thức:
[

]

*|

|

|

*|

|

|

| +
| +

(1.14)


11

Với

là trở kháng sóng của mơi trƣờng,

cƣờng độ điện trƣờng trong trƣờng khu xa của anten,

là
là các thành phần

điện trƣờng trong trƣờng khu xa của anten.
T ng công suất bức xạ nhận đƣợc bằng cách t ch ph n cƣờng độ bức
xạ, nhƣ trong (1.7) trên tồn góc đặc
∯

∫

Trong đó,

. Do đó:

∫

(1.15)

là một vi ph n góc đặc.

1.1.2.5

anten

Anten đƣợc xem nhƣ là thiết bị chuyển đ i năng lƣợng nên ta cần quan
t m đến hiệu suất của anten để có thể đánh giá ch nh xác hiệu quả cũng nhƣ
t n hao về công suất mà anten mang lại. Hiệu suất của anten chính là tỷ số
và cơng suất máy phát đƣa vào anten

giữa công suất bức xạ
e=

(0

e

1)

(1.16)

Hiệu suất t ng của anten đƣợc sử dụng để đánh giá t n hao năng lƣợng
trên anten
=

.

Trong đó:

(1.17)
: hiệu suất ph n cực anten.
: hiệu suất ức xạ của anten.
: hiệu suất o phản xạ ( o không phối hợp trở kháng giữa

anten và đƣờng

y truyền sóng).

=1-| |

(1.18)

Với Γ là hệ số phản xạ ở ngõ ra: Γ =
: trở kháng vào của anten.
: trở kháng đặc tính của dây truyền sóng.

(1.19)

12

Nếu khơng có t n hao trong phân cực thì hiệu suất t ng đƣợc xác định:
= e.(1 - | | )
1.1.2.6

(1.20)
anten

Phân cực của anten theo một hƣớng cho trƣớc đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
“là phân cực của sóng đƣợc truyền đi ởi anten. Sự phân cực của sóng bức xạ
đƣợc thể hiện bởi đầu mút của vector điện trƣờng tức thời, và hƣớng mà nó
vạch theo khi quan sát d c theo hƣớng truyền sóng. Một đƣờng vạch theo bởi
đầu mút của vector điện trƣờng là hàm của thời gian đƣợc thể hiện trong Hình
1.6.

Hình 1.6 Sự quay c a ector điện trƣờng

- Các loại phân cực:
Phân cực phân thành 3 loại: th ng (tuyến tính), trịn và ellip. Các loại
phân cực đƣợc thể hiện ở Hình 1.7. Nếu đầu mút vector điện trƣờng ở một
điểm trong không gian luôn hƣớng theo một đƣờng th ng, trƣờng này đƣợc
g i là phân cực tuyến t nh. Trong đó ph n cực d c và phân cực ngang là
những hình thức đơn giản nhất của phân cực anten và cả hai đều rơi vào một
loại là phân cực tuyến t nh. Trƣờng hợp đặc biệt của phân cực tuyến tính là
đặc tính phân cực kép trong đó anten hoạt động ở phân cực d c cũng tốt nhƣ
ở phân cực ngang.

13

Một cách t ng quát, đầu mút vector điện trƣờng vạch ra là một hình
ellip, và trƣờng đƣợc g i là phân cực ellip. Phân cực tuyến tính và trịn là
trƣờng hợp đặc biệt của phân cực ellip. Đầu mút vector điện trƣờng quay theo
chiều kim đ ng h g i là phân cực phải và ngƣợc kim đ ng h g i là phân
cực trái.

Hình 1.7 Sự quay c a ector điện trƣờng

1.1.2.7
Băng thông của anten (BW) đƣợc định nghĩa nhƣ sau: “khoảng
tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn nhất định”.
Băng thông có thể đƣợc xem xét là khoảng tần số về hai bên của tần số trung
t m (thƣờng là tần số cộng hƣởng), ở đó các đặc tính anten (ch ng hạn nhƣ
trở kháng vào, giản đ , độ rộng chùm, phân cực, cấp thùy bên, hệ số tăng ch,
hƣớng chùm, hiệu suất bức xạ) đạt giá trị có thể chấp nhận đƣợc.
Thơng thƣờng dải thơng của anten đƣợc tính bằng Hz, xác định khi tỉ số
sóng đứng nhỏ hơn 2:1 hoặc t n hao ngƣợc nhỏ -10 B. Đối với các hệ thống
cần độ n định cao thì dải thơng đƣợc xác định khi tỉ số sóng đứng nhỏ hơn
1,5:1. Các loại anten khác nhau thì có giới hạn dải thông khác nhau.
Đối với anten ăng rộng, dải thông của anten đƣợc tính theo cơng thức:
(1.21)


14

Dải thơng cũng có thể tính bằng phần trăm của tần số trung t m, đối với
anten ăng hẹp:
BW 

(1.22)

Trong đó

,

và

lần lƣợt là tần số cao nhất, tần số thấp nhất và

tần số trung tâm của ăng thông.
Thông thƣờng:



hoặc

=√

Dải tần của anten đƣợc chia làm 4 nhóm:
a. Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):
hay
b. Anten dải tần tƣơng đối rộng:
10% <

< 50% hay 1.1 <

c. Anten dải tần rộng:
1.5 <

<4

d. Anten dải tần siêu rộng:
>4
Trong đó:

< 1.5