Nghiên cứu, thiết kế anten MIMO có hệ số cách ly cao ứng dụng cho hệ thống thông tin 5g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

INH H

NGHI N CỨU THI T
C

HỆ S

C CH Y C

NG

ANTEN MIMO
ỨNG D NG CH

HỆ TH NG TH NG TIN 5G

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ỹ THUẬT VIỄN THƠNG

Bình Định – Năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

INH H

NG

NGHI N CỨU THI T
C

HỆ S

C CH Y C

NTEN

I

ỨNG D NG CH

HỆ TH NG TH NG TIN 5G
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8520208

Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng


i

LỜI C

Đ

N

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
L Minh Hoàng


ii

LỜI CẢ

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 không tránh khỏi những thiếu sót và cần hồn thiện
thêm. Kính mong sự đóng góp ý kiến của Q Thầy Cơ.


iii

C

C

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii

MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC TỪ VI T TẮT ........................................................................... vi
DANH MỤC H NH V .................................................................................. vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. xi
MỞ Đ U ........................................................................................................... 1
Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1
Tổng quan tình hình nghi n cứu .................................................................... 2
CHƢƠNG 1: L THUY T V ANTEN VI DẢI............................................ 4
1.1. Giới thiệu chƣơng ................................................................................... 4
1.2. Tổng quan về anten ................................................................................. 4
1.2.1.Khái niệm ......................................................................................... 4
1.2.2.Hệ phƣơng trình Maxwell ................................................................ 5
1.2.3.Các thơng số cơ bản của anten ......................................................... 7
1.3. Anten vi dải ........................................................................................... 13
1.3.1.Giới thiệu chung về anten vi dải .................................................... 13
1.3.2.Các mơ hình anten vi dải ............................................................... 19
1.4. Tổng kết chƣơng ................................................................................... 21
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG ANTEN MIMO ................................................... 22
2.1. Giới thiệu chƣơng ................................................................................. 22
2.2. Khái niệm về k nh truyền MIMO ........................................................ 22
2.2.1.K nh truyền không dây .................................................................. 22
2.2.2.Truyền thông không dây qua k nh truyền MIMO ......................... 24
2.2.3.Ƣu điểm của k nh truyền MIMO .................................................. 26
2.3. Hệ thống đa anten và ảnh hƣởng tƣơng hỗ ........................................... 27


iv
2.3.1.Giới thiệu hệ thống đa anten .......................................................... 27
2.3.2.Kỹ thuật phân tập anten ................................................................. 28
2.3.3.Ảnh hƣởng tƣơng hỗ giữa các phần tử trong hệ thống đa anten ... 29

2.4. Các tham số của anten MIMO .............................................................. 38
2.4.1.Hệ số tƣơng quan tín hiệu .............................................................. 38
2.4.2.Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG) ........................................ 39
2.4.3.Dung lƣợng hệ thống ..................................................................... 40
2.5. Một số kỹ thuật cải thiện hệ số ảnh hƣởng tƣơng hỗ cho anten MIMO41
2.5.1.Hƣớng đặt anten ............................................................................. 42
2.5.2.Mạng cách ly .................................................................................. 43
2.5.3.Cấu trúc ký sinh ............................................................................. 47
2.5.4.Cấu trúc mặt phẳng đế không hồn hảo ......................................... 51
2.5.5.Đƣờng trung tính ............................................................................ 53
2.6. Tổng kết chƣơng ................................................................................... 56
CHƢƠNG 3: THI T K

ANTEN MIMO CÓ HỆ SỐ CÁCH LY CAO

ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG 5G............................................................... 57
3.1. Giới thiệu chƣơng ................................................................................. 57
3.2. Thiết kế anten đơn ................................................................................ 58
3.2.1. Mơ hình anten đề xuất ................................................................... 58
3.2.2. Tính tốn lý thuyết ........................................................................ 59
3.2.3. Mô phỏng tối ƣu ............................................................................ 62
3.3. Thiết kế anten MIMO 2x2 .................................................................... 66
3.3.1.Mơ hình anten MIMO ban đầu ...................................................... 66
3.3.2.Cấu trúc ký sinh ............................................................................. 67
3.3.3.Mơ hình anten MIMO 2x2 với cấu trúc ký sinh chữ C ................. 68
3.4. Tổng kết chƣơng ................................................................................... 71
K T LUẬN ..................................................................................................... 72


v

HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN: ................................................. 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 73
PHỤ LỤC


vi

D NH
Từ viết tắt

C TỪ VI T TẮT

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

Multi Input Multi Output

Đa đầu vào đa đầu ra

MAS

Multi Antennas System

Hệ thống đa anten

SISO

Single Input Single Output

Đơn đầu vào đơn đầu ra

MPA

Multi Port Antenna

Anten đa cổng

MMA

Multimode Antenna

Anten có nhiều chế độ

MPOA

Multipolarized antenna

Anten có nhiều phân cực

MIMO

khác nhau


vii

D NH

C H NH V

Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu ............................................................ 4
Hình 1.2: Điện trƣờng và từ trƣờng tại trƣờng khu xa ...................................... 5
Hình 1.3: Đ thị phƣơng hƣớng của anten [7] ................................................ 11
Hình 1.4: Phân cực tuyến tính, phân cực tr n và phân cực elip ..................... 12
Hình 1.5: Anten vi dải [7] ............................................................................... 14
Hình 1.6: Một số hình dạng của anten patch vi dải ........................................ 15
Hình 1.7: Một số loại anten khe mạch in ........................................................ 16
Hình 1.8: Cấp ngu n d ng đƣờng truyền vi dải ............................................. 18
Hình 1.9: Cấp ngu n d ng cáp đ ng trục ....................................................... 18
Hình 1.10: Cấp ngu n d ng phƣơng pháp gh p khe – Aperture coupled ...... 19
Hình 1.11: Các thơng số của mơ hình đƣờng truyền ...................................... 20
Hình 2.1: Tổn hao tr n đƣờng truyền khơng dây ............................................ 23
Hình 2.2: Mơ hình hệ thống (a) SISO và (b) MIMO ...................................... 25
Hình 2.3: Mơ hình đa anten (a) sử dụng chung phần tử bức xạ và (b) sử dụng
các phần tử bức xạ độc lập .............................................................. 28
Hình 2.4: Hệ anten MIMO hai anten đơn ....................................................... 30
Hình 2.5: (a) Mạng hai cổng và (b) mạch tƣơng đƣơng hình T..................... 31
Hình 2.6: Quan hệ giữa trở kháng tƣơng hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trong
trƣờng hợp h=0 , d>0 ...................................................................... 32
Hình 2.7: Quan hệ giữa trở kháng tƣơng hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa
trong trƣờng hợp d=0, s=h-l>0 ....................................................... 33
Hình 2.8: Các ngu n gây ra tƣơng hỗ giữa các thành phần trong hệ đa anten
mạch dải .......................................................................................... 34
Hình 2.9: Sắp xếp các anten mạch dải chữ nhật (a) tr n mặt phẳng E và (b)
tr n mặt phẳng H ............................................................................. 35
Hình 2.10: Quan hệ của tƣơng hỗ giữa các phần tử anten theo khoảng cách [8 36


viii

Hình 2.11: Quan hệ giữa điện dẫn tƣơng hỗ chuẩn hóa với khoảng cách giữa
hai anten mạch dải chữ nhật (W=1.186 cm, L=0.906 cm, ɛr=2.2, λ0=
3cm) ................................................................................................ 37
Hình 2.12: (a) Mơ hình anten và (b) kết quả đo tham số tán xạ (l 1=24; l2=18,2;
g=0.5; fg=2.85; h=1,1; đơn vị mm) [15] ........................................ 42
Hình 2.13: Mạng cách ly sử dụng các phần tử điện kháng [16] ..................... 43
Hình 2.14: Anten MIMO hai phần tử đơn cực với mạng cách ly (L=45; W=
22; S= 8,5; La= 22,5; đơn vị mm) [16] ........................................... 45
Hình 2.15: Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm tổn hao ngƣợc và cách ly của
anten MIMO khơng có mạng cách ly [16]...................................... 46
Hình 2.16: Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm tổn hao ngƣợc và cách ly của
anten MIMO khi có mạng cách ly [16] .......................................... 46
Hình 2.17: Tƣơng hỗ giữa hai anten lƣỡng cực đặt gần nhau và tƣơng hỗ giữa
hai anten lƣỡng cực khi có th m phần tử ký sinh [17] ................... 47
Hình 2.18: Mơ hình anten MIMO hai khe bức xạ với phần tử đơn cực ký sinh
[18] .................................................................................................. 49
Hình 2.19: Phân bố d ng điện ở tr n anten MIMO khơng có và có phần tử
đơn cực ký sinh [18] ....................................................................... 49
Hình 2.20: Kết quả mơ phỏng tham số tán xạ khi khơng có và có phần tử đơn
cực ký sinh [18]............................................................................... 50
Hình 2.21: Cấu trúc SMLR đề xuất đặt giữa hai phần tử anten vi dải [19] .... 50
Hình 2.22: Phân bố d ng điện của anten (a) khi khơng có cấu trúc SMLR và
(b) khi có cấu trúc SMLR [19]........................................................ 51
Hình 2.23: Kết quả mô phỏng tham số tán xạ của anten khi khơng có và có
cấu trúc SMLR [19] ........................................................................ 51


ix
Hình 2.24: Mơ hình anten MIMO với bốn phần tử bức xạ sử dụng cấu trúc
DGS (L1= 37,7;W1= 25; L2= 22; W2= 7; Ls= 18,75; Lc= 30; Wc= 1;

đơn vị mm) [20] .............................................................................. 52
Hình 2.25: Phân bố d ng điện tr n mặt đế của anten khi khơng có và khi có
dãy các khe DGS [53] ..................................................................... 52
Hình 2.26: Kết quả đo tham số tán xạ của anten MIMO với bốn phần tử bức
xạ [20] ............................................................................................. 53
Hình 2.27: Mơ hình anten MIMO sử dụng đƣờng trung tính [21] ................. 54
Hình 2.28: Mô phỏng các tham số tán xạ của (a) cấu trúc đề xuất và (b) cấu
trúc tham khảo (không có đƣờng trung tính) [21] .......................... 55
Hình 3.1: Mơ hình anten đơn .......................................................................... 58
Hình 3.2: Mơ phỏng hệ số phản xạ S11 của anten đơn theo các kích thƣớc đã
tính tốn lý thuyết ........................................................................... 62
Hình 3.3: Mơ phỏng hệ số phản xạ S11 với các giá trị L p khác nhau khi
Linset=8mm: (a) Lp thay đổi từ 19 mm đến 21 mm với bƣớc nhảy
0,5mm, (b) Lp thay đổi từ 19 mm đến 19,5 mm với bƣớc nhảy 20
mm .................................................................................................. 63
Hình 3.4: Mơ phỏng hệ số phản xạ S11 với các giá trị Linset khác nhau ......... 64
Hình 3.5: Mơ phỏng tối ƣu hệ số phản xạ S11 tại tần số 3,6 GHz ................. 65
Hình 3.6: Mơ phỏng đ thị bức xạ của anten đơn tại tần số 3,6 GHz: (a) Đ
thị bức xạ 2D, (b) Đ thị bức xạ 3D ............................................... 65
Hình 3.7: Mơ hình anten MIMO 2x2 .............................................................. 67
Hình 3.8: Mơ phỏng tham số tán xạ của anten MIMO 2x2 ............................ 67
Hình 3.9: Mơ phỏng tham số tán xạ của cấu trúc ký sinh chữ C .................... 68
Hình 3.10:Mơ hình anten MIMO 2x2 với cấu trúc ký sinh chữ C (kích thƣớc
ở đơn vị: mm) ................................................................................. 69


x
Hình 3.11: Mơ phỏng tham số tán xạ của anten MIMO 2x2 sử dụng cấu trúc
ký sinh chữ C .................................................................................. 69
Hình 3.12: Mơ phỏng hệ số truyền đạt S21 của anten MIMO 2x2 khi khơng

có và có cấu trúc ký sinh chữ C ...................................................... 70
Hình 3.13: Phân bố d ng điện tr n anten MIMO: (a) Khơng có cấu trúc ký
sinh, (b) Có cấu trúc ký sinh ........................................................... 71


xi

DANH M C BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Các tham số tính toán lý thuyết của anten đơn (đơn vị: mm) ........ 61
Bảng 3.2: Các tham số kích thƣớc tối ƣu của anten........................................ 66


1

ỞĐ U
Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ truyền thơng khơng dây
và nhu cầu ngày càng tăng của các ứng dụng linh hoạt, truyền thông thế hệ
tiếp theo (5G) đã trở thành một trong những chủ đề nóng nhất của ngành cơng
nghiệp anten [1–3]. Do hạn chế của ngu n phổ, các nghiên cứu hiện tại về
truyền thông 5G chủ yếu tập trung vào dải sóng mm. Dải tần khoảng 3.6 GHz
đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới do đặc tính về băng thơng và dải tần của
dải sóng mm [4].
Là một trong những công nghệ quan trọng nhất của truyền thông 5G,
công nghệ đa đầu vào-đa đầu ra (MIMO) đƣợc áp dụng rộng rãi do tốc độ
truyền cao và chất lƣợng truyền thơng ổn định. Nó sử dụng nhiều anten để
truyền và nhận tín hiệu trong truyền thơng khơng dây; do đó, nó có thể nâng
cao dung lƣợng của hệ thống thông tin liên lạc và tỷ lệ sử dụng phổ tần mà
không làm tăng công suất phát. Khi thu nhỏ thiết bị điện tử đã trở thành xu
hƣớng chính cùng với sự phát triển của cơng nghệ, nó đ i hỏi anten có nhiều

phần tử phải đƣợc đặt trong một khu vực hạn chế. Đ ng thời, hệ thống MIMO
đ i hỏi sự cách ly cao giữa các anten khác nhau, do đó, cần nhiều khơng gian
hơn giữa các anten [5, 6]. Thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu là để tìm
ra sự cân bằng tốt nhất giữa thu nhỏ kích thƣớc và độ cách ly cao.
Trong truyền thông không dây hiện tại, các anten MIMO 2×2 hoặc 4×4
là những anten đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, giao tiếp 5G mang lại
yêu cầu cao hơn nhiều rằng cần có anten MIMO 8 × 8 hoặc thậm chí là lớn
trong thiết bị 5G. Số lƣợng anten MIMO tăng l n mang lại thách thức lớn cho
tất cả các nhà nghiên cứu trong ngành anten. Trong đó, ảnh hƣởng tƣơng hỗ
do ghép nối là một yếu tố quan trọng trong công nghệ MIMO đã nhận đƣợc


2

rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và sản xuất. Thực tế cho thấy
chỉ khi giải quyết tốt ảnh hƣởng tƣơng hỗ ghép nối, nâng cao hệ số cách ly
giữa các phần tử bức xạ thì anten MIMO mới đạt hiệu quả bức xạ tốt nhất,
đặc biệt trong các dải tần số của hệ thống thông tin thế hệ mới nhƣ 5G.
Với những lí do tr n, học viên đã chọn đề tài Nghiên cứu, thiết kế anten
MIMO có hệ số cách ly cao ứng dụng cho hệ thống thơng tin 5G”
Tổng quan tình hình nghiên cứu
Trong các hệ thống khơng dây, để duy trì tính độc lập của từng phần tử
anten trong hệ thống MIMO trong một khơng gian hạn chế, đó là một trong
những khó khăn cấp bách để khắc phục ảnh hƣởng ghép nối tƣơng hỗ từ anten
liền kề, đặc biệt là đối với các mảng băng tần kép [29–31]. Ghép nối tƣơng hỗ
là một hiện tƣợng phụ thuộc vào các phần tử mảng liền kề và ảnh hƣởng lớn
đến các đặc tính của hệ thống không dây phụ thuộc vào anten mảng và gần
đây là hệ thống truyền thông không dây MIMO. Để đạt đƣợc khả năng gh p
nối tƣơng hỗ thấp và cách ly cao giữa các phần tử anten liền kề và cũng có thể
triệt tiêu sóng bề mặt, một số phƣơng pháp đã đƣợc nghiên cứu và đề xuất

[32–37]. Kỹ thuật phổ biến nhất là sử dụng kỹ thuật phân tập không gian bằng
cách tách các phần tử anten. Tuy nhiên, kỹ thuật này có thể khơng phù hợp
với hầu hết các hệ thống khơng dây, vì nó đ i hỏi một không gian tƣơng đối
lớn để đặt hệ thống anten. Vì vậy, một số kỹ thuật tích hợp hiệu quả cho anten
vi dải đang đƣợc sử dụng nhiều trong thời gian gần đây, nhƣ phần tử ký sinh
[38, 39], mạng cách ly, đƣờng trung tính,.. thể hiện hiệu quả trong cải thiện hệ
số cách lý cổng giữa các phần tử anten trong hệ MIMO.
 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, thiết kế anten MIMO cho hệ thống thông tin 5G hoạt động ở tần
số 3.6 GHz, có các hệ số cách ly cổng giữa các phần tử bức xạ cạnh nhau cao,
đảm bảo đặc tính bức xạ của anten.


3
 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tổng quan anten và hệ thống anten MIMO.
Nghiên cứu, đề xuất phƣơng pháp cải thiện hệ số cách ly cổng giữa các
phần tử bức xạ trong anten MIMO.
Thiết kế, tối ƣu mô phỏng anten MIMO 2×2 phần tử.
 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Anten vi dải, anten MIMO
Các cấu trúc cải thiện cách ly.
Hệ thống thơng tin 5G bƣớc sóng mm tại tần số 3.6 GHz.
 Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tổng quan kết hợp với tính tốn thiết kế, mô phỏng
kiểm chứng kết quả thiết kế theo lý thuyết.


4

CHƢƠNG 1:

THUY T V ANTEN VI DẢI

1.1. Giới thiệu chƣơng
Chƣơng này tập trung khái quát các khái niệm về anten, đặc tính của
nó

Đ ng thời, giới thiệu về anten vi dải, là một trong những loại anten phổ

biến trong hệ thống thông tin.
1.2. Tổng quan về anten
1.2.1.
Anten là thiết bị d ng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ
khơng gian bên ngồi. Trong trƣờng hợp tổng quát, anten cần đƣợc hiểu là
một tổ hợp bao g m nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là 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 (trƣờng hợp anten phát), hoặc hệ thống xử lý tín hiệu
(trƣờng hợp anten thu).

Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu

Q trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ
Khi năng lƣợng từ ngu n đƣợc truyền tới anten, có 2 trƣờng sẽ đƣợc
tạo ra. Một là trƣờng cảm ứng (trƣờng khu gần), trƣờng này ràng buộc với
anten; trƣờng còn lại là trƣờng bức xạ (trƣờng khu xa). Ngay tại anten (trong
trƣờng khu gần), cƣờng độ trƣờng tại đây rất lớn và tỉ lệ tuyến tính với năng


5

lƣợng đƣợc cấp vào anten. Tại khu xa anten, chỉ có năng lƣợng của trƣờng
bức xạ là đƣợc duy trì. Trƣờng khu xa bao g m 2 thành phần đó là điện
trƣờng và từ trƣờng (hình 1.2).

Hình 1 2: Điện trƣờng và từ trƣờng tại trƣờng khu xa

Hai thành phần điện trƣờng và từ trƣờng bức xạ từ anten sẽ tạo thành
trƣờng điện từ. Về cơ bản, sóng vơ tuyến là một trƣờng điện từ di chuyển. Khi
sóng truyền đi, năng lƣợng mà sóng mang theo sẽ đƣợc trải ra trên một diện
tích ngày càng lớn. Điều này làm cho năng lƣợng trên một diện tích cho trƣớc
giảm đi khi khoảng cách từ điểm khảo sát đến ngu n tăng.
1.2.2.
Toàn bộ lý thuyết anten đƣợc xây dựng tr n cơ sở những phƣơng trình
cơ bản của điện động lực học là các phƣơng trình Maxwell.


6
Trong phần trình bày này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các q trình
biến đổi điều hịa theo thời gian,nghĩa là theo quy luật sin, cos dƣới dạng
it
phức e


E  Re( E e it )  E cos(t )

E  Im( E e it )  E sin(t )

(1.1a)
(1.1b)

Các phƣơng trình Maxwell ở dạng vi phân đƣợc viết dƣới dạng:

rotH  i p E  J e

(1.2)

rotE  iH

(1.3)
(1.4)

e
divE 


(1.5)

divH  0
E

là bi n độ phức của vecto cƣờng độ điện trƣờng: (V/m)

H

là bi n độ phức của vecto cƣờng độ từ trƣờng: (A/m)

Hệ số điện thẩm phức của mơi trƣờng đƣợc tính theo cơng thức:



 p   1  i

 

 

(1.6)

ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trƣờng: (F/m)
μ hệ số từ thẩm của môi trƣờng: (H/m)
σ điện dẫn xuất của môi trƣờng: (Si/m)
J e là bi n độ phức của vecto mật độ d ng điện: (

 e là mật độ khối của điện tích: (

A
)
m2

C
)
m3

Biết rằng ngu n tạo ra trƣờng điện từ là d ng điện 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 th m vào hệ phƣơng trình Maxwell các đại lƣợng dòng từ


7
và từ tích. Khái niệm dịng từ và từ tích chỉ là tƣợng trƣng chứ chúng khơng

có trong tự nhiên.
Kết hợp với nguy n lý đổi lẫn, hệ phƣơng trình Maxwell tổng quát đƣợc
viết nhƣ sau:
rotH  i p E  J e

(1.7)

rotE  iH  J m

m
divE 


(1.8)

e
divH  


(1.9)

(1.10)
Giải hệ phƣơng trình Maxwell ta đƣợc nghiệm là E và H. Trong phƣơng
trình nghiệm đó cho chúng ta biết ngu n gốc sinh ra E, H và cách thức lan
truyền.
1.2.3.

ả

anten

Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây:
- Trở kháng vào
- Hiệu suất
- Hệ số định hƣớng và độ tăng ích.
- Đ thị phƣơng hƣớng và góc bức xạ của anten
- Tính phân cực
- Dải tần của anten.
1.2.3.1. Trở kháng vào của 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 d ng điện IA trong anten:


8

ZA 

UA
 R A  jX A
IA

(1.11)

Trở kháng vào của anten ngồi ra cịn phụ thuộc vào kích thƣớc hình học
của anten và trong một số trƣờng hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.
Thành phần thực của trở kháng vào RA đƣợc xác định bởi công suất đặt
vào anten PA và d ng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe:
RA 

PA

I Ae

(1.12)

Thành phần kháng của trở kháng vào của anten đƣợc xác định bởi đặc
tính phân bố d ng điện và điện áp dọc 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.
1.2.3.2. Hiệu suất của anten
Anten đƣợc xem nhƣ là thiết bị chuyển đổi năng lƣợng, do đó một thơng số
quan trọng đặc trƣng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten  A chính là tỷ số
giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đƣa vào anten Pvào hay PA:

A 

Pbx
PA

(1.13)

Hiệu suất của anten đặc trƣng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối
với anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó  A < 1.Gọi cơng suất tổn hao là Pth
PA  Pbx  Pth

(1.14)

Đại lƣợng công suất bức xạ và công suất tổn hao đƣợc xác định bởi giá

trị điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:


9
2
2
Rbx  Rth 
PA  I Ae
.R A  I Ae

(1.15)

Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành:
A 

Pbx
Rbx

Pbx  Pth Rbx  Rth

(1.16)

1.2.3.3. Hệ số định hướng và hệ số tăng ích
Nhƣ đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau
ngƣời ta đƣa vào thông số hệ số định hƣớng (hệ số hƣớng tính) và hệ số tăng
ích (hệ số khuếch đại hoặc độ lợi). Các hệ số này cho ph p đánh giá phƣơng
hƣớng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của tr n cơ sở so
sánh với anten lý tƣởng (hoặc anten chuẩn)
Anten lý tƣởng là anten có hiệu suất  A = 1, và năng lƣợng bức xạ đ ng
đều theo mọi hƣớng. Anten lý tƣởng đƣợc xem nhƣ một ngu n bức xạ vô

hƣớng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bƣớc sóng.
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:
D(1 , 1 ) 

Pbx (1 , 1 ) E 2 (1 , 1 )

Pbx (0)
E 2 (0)

(1.17)

Trong đó:
D( 1 , 1 ) là hệ số định hƣớng của anten có hƣớng ứng 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 công suất bức xạ của anten vô hƣớng tại c ng điểm xét.
E( 1 , 1 ), E(0) là cƣờng độ trƣờng tƣơng ứng của chúng.


10
Điều này có nghĩa là phải tăng l n D( 1 , 1 ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của
anten vơ hƣớng để có đƣợc trƣờng bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(
1 , 1 ).

Hệ số tăng ích 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 nguy n cƣờng độ trƣờng tại điểm thu theo hƣớng đã
xác định (,):

G( ,  )   A D( ,  )

(1.18)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trƣng cho anten cả
đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten. Từ (1.18) có thể thấy hệ số tăng ích
ln nhỏ hơn hệ số định hƣớng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần
xác định ta có thể tính đƣợc Pbx theo cơng thức sau:
Pbx  PA .G A

(1.19)

1.2.3.4. Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten
Mọi anten đều có tính phƣơng hƣớng nghĩa là ở một hƣớng nào đó anten
phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hƣớng đó anten phát hoặc thu xấu
hơn hoặc không bức xạ, không thu đƣợc sóng điện từ. Vì vậy vấn đề là phải
xác định đƣợc tính hƣớng tính của anten. Hƣớng tính của anten ngồi thơng số
về hệ số định hƣớng nhƣ đã phân tích ở tr n c n đƣợc đặc trƣng bởi đ thị
phƣơng hƣớng của anten.
Đ thị phƣơng hƣớng là một đƣờng cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá
trị tƣơng đối của cƣờng độ điện trƣờng hoặc công suất bức xạ tại những điểm
có khoảng cách bằng nhau và đƣợc biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ
cực tƣơng ứng với các phƣơng của điểm xem xét.


11

Hình 1 3: Đồ thị phƣơng hƣớng của anten [7]

Dạng đ thị phƣơng hƣớng có giá trị trƣờng theo phƣơng cực đại bằng

một nhƣ vậy đƣợc gọi là đ thị phƣơng hƣớng chuẩn hố. Nó cho phép so
sánh đ thị phƣơng hƣớng của các anten khác nhau. Trong không gian, đ thị
phƣơng hƣớng của anten có dang hình khối, nhƣng trong thực tế chỉ cần xem
xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc ) và mặt phẳng đứng (góc ).
Trƣờng bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng
khơng theo sự biến đổi của các góc theo phƣơng hƣớng khác nhau. Để đánh


12
giá dạng của đ thị phƣơng hƣớng ngƣời ta đƣa vào khái niệm độ rộng của đ
thị phƣơng hƣớng hay cịn gọi là góc bức xạ. Góc bức xạ đƣợc xác định bởi
góc nằm giữa hai bán kính vector có giá trị bằng 0.5 cơng suất cực đại, cũng
vì vậy mà góc bức xạ c n đƣợc gọi là góc mở nửa cơng suất.
1.2.3.5. Tính phân cực của anten
Trong trƣờng hợp tổng quát, tr n đƣờng truyền lan của sóng, các vector
 
E , H có bi n độ và pha biến đổi. Theo quy ƣớc, sự phân cực của sóng đƣợc

đánh giá và xem x t theo sự biến đổi của vector điện trƣờng. Cụ thể là, hình
chiếu của điểm đầu mút (điểm cực đại) của vector điện trƣờng trong một chu kỳ
lên mặt phẳng vng góc với phƣơng truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân
cực của sóng.
Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là
hình trịn thì phân cực là trịn và nếu là dạng đƣờng thẳng thì là phân cực
thẳng. Trong trƣờng hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân
cực thẳng và tròn chỉ là trƣờng hợp riêng

Hình 1 4: Ph n c c tu ến t nh, ph n c c tr n và phân c c elip

Tùy vào ứng dụng mà ngƣời ta chọn dạng phân cực. Ví dụ để truyền lan

hoặc thu sóng mặt đất thƣờng sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn
hao thành phần thẳng đứng của điện trƣờng trong mặt đất b hơn nhiều so với