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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY
NHƠN

INH H NG

NGHI N CỨU THI T

ANTEN MIMO

C HỆ S C CH Y C ỨNG D NG CH
••
HỆ TH NG TH NG TIN 5G

LUẬN VĂN THẠC SĨ Ỹ THUẬT VIỄN THÔNG


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY
NHƠN

Bình Định - Năm 2021


INH H NG

NGHI N CỨU THI T

NTEN I

C HỆ S C CH Y C ỨNG D NG CH

••

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

Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Nguyễn Bảo Phương


1

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 được là
chính xác và trung thực.
Tác giả luận văn
L Minh Hoàng


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 Phương đã hướng dẫn tận
tình và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn đúng thời hạn.
Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như 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.


CC

••

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
CHƯƠNG 1: L Ý THUYẾT VỀ ANTEN VI DẢI..........................................4
1.1. Giới thiệu chương..................................................................................4
1.2. Tổng quan về anten ...............................................................................4
1.2.1. Khái niệm ......................................................................................4
1.2.2. Hệ phương trình Maxwell..............................................................5
1.2.3......................................................................................................... Cá
c 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 chương .................................................................................21
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ANTEN MIMO ...................................................22
2.1. Giới thiệu chương ...............................................................................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. Ưu điểm của k nh truyền MIMO ................................................26

2.3. Hệ thống đa anten và ảnh hưởng tương hỗ.........................................27
2.3.1........................................................................................................Giới
thiệu hệ thống đa anten .................................................................................. 27
2.3.2........................................................................................................Kỹ
thuật phân tập anten ....................................................................................... 28
2.3.3. Ảnh hưởng tương 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 tương quan tín hiệu ..........................................................38
2.4.2. Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG) ....................................39
2.4.3. Dung lượng hệ thống .................................................................40
2.5. Một số kỹ thuật cải thiện hệ số ảnh hưởng tương hỗ cho anten MIMO41
2.5.1. Hướng 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 khơng hồn hảo......................................51
2.5.5. Đường trung tính.........................................................................53
2.6. Tổng kết chương ................................................................................56
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN MIMO CÓ HỆ SỐ CÁCH LY CAO ỨNG
DỤNG CHO HỆ THỐNG 5G.........................................................................57
3.1. Giới thiệu chương ...............................................................................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 ưu..........................................................................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 chương ................................................................................71
K T LUẬN ......................................................................................................72
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN:.................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 73
PHỤ LỤC


D NH C TỪ VI T TẮT
Từ viết tắt
MIMO

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
khác nhau


D NH C H NH V
Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu ........................................................ 4
Hình 1.2: Điện trường và từ trường tại trường khu xa......................................5
Hình 1.3: Đ ồ thị phương hướng 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 ....................................... 1 5
Hình 1.7: Một số loại anten khe mạch in ....................................................... 16

Hình 1.8: Cấp ngu n d ng đường truyền vi dải .............................................. 18
Hình 1.9: Cấp ngu n d ng cáp đ ng trục ......................................................... 18
Hình 1.10: Cấp nguồ n dùng phương pháp ghé p khe - Aperture coupled.....19
Hình 1.11: Các thơng số của mơ hình đường truyền ..................................... 20
Hình 2.1: Tổn hao tr n đường 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 tương đương hình T..................... 3 1
Hình 2.6: Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trong
trường hợp h=0 , d>0 .................................................................... 32
Hình 2.7: Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa
trong trường hợp d=0, s=h-l>0 ..................................................... 33
Hình 2.8: Các ngu n gây ra tương 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 tương hỗ giữa các phần tử anten theo khoảng cách [8 36


Hình 2.11: Quan hệ giữa điện dẫn tương hỗ chuẩn hóa với khoảng cách giữa hai
anten mạch dải chữ nhật (W=1.186 cm, L=0.906 cm, £r=2.2, /ụ, 3cm)
....................................................................................... 37
Hình 2.12: (a) Mơ hình anten và (b) kết quả đo tham số tán xạ (l1=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 mô phỏng và thực nghiệm tổn hao ngược và cách ly của

anten MIMO khơng có mạng cách ly [ 1 6]................................... 46
Hình 2.16: Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm tổn hao ngược và cách ly của
anten MIMO khi có mạng cách ly [16] ......................................... 46
Hình 2.17: Tương hỗ giữa hai anten lưỡng cực đặt gần nhau và tương hỗ giữa
hai anten lưỡng 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 mô phỏng tham số tán xạ khi không 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 không có cấu trúc SMLR và
(b) khi có cấu trúc SMLR [19]....................................................... 51
Hình 2.23: Kết quả mơ phỏng tham số tán xạ của anten khi khơng có và có
cấu trúc SMLR [19] ...................................................................... 51
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 không 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 đường 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 đường 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 thước đã

tính tốn lý thuyết .......................................................................... 62
Hình 3.3: Mơ phỏng hệ số phản xạ S11 với các giá trị Lp khác nhau khi
Linset=8mm: (a) Lp thay đổi từ 19 mm đến 21 mm với bước nhảy
0,5mm, (b) Lp thay đổi từ 19 mm đến 19,5 mm với bước nhảy 20
mm ................................................................................................. 63
Hình 3.4: Mô phỏng hệ số phản xạ S11 với các giá trị Linset khác nhau ........ 64
Hình 3.5: Mơ phỏng tối ưu 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: Mô 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 thước
ở đơn vị: mm)..... 69 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 không


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


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 thước tối ưu của anten.......................................66


1

ỞĐU
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 nguồn 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 tồn 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) được áp dụng rộng rãi do tốc độ
truyền cao và chất lượng 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 lượng 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
hướng chính cùng với sự phát triển của cơng nghệ, nó đ i hỏi anten có nhiều
phần tử phải được 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 thước và độ cách ly cao.
Trong truyền thông không dây hiện tại, các anten MIMO 2x2 hoặc 4x4 là
những anten được sử dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, giao tiếp 5G mang lại yêu
cầu cao hơn nhiều rằng cần có anten MIMO 8 x 8 hoặc thậm chí là lớn trong
thiết bị 5G. Số lượng anten MIMO tăng l n mang lại thách thức lớn cho tất cả
các nhà nghiên cứu trong ngành anten. Trong đó, ảnh hưởng tương hỗ do ghép
nối là một yếu tố quan trọng trong công nghệ MIMO đã nhận được rất nhiều


2

sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và sản xuất. Thực tế cho thấy chỉ khi giải
quyết tốt ảnh hưởng tương 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 như 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 không gian hạn chế, đó là một trong
những khó khăn cấp bách để khắc phục ảnh hưởng ghép nối tương hỗ từ anten
liền kề, đặc biệt là đối với các mảng băng tần kép [29-31]. Ghép nối tương hỗ
là một hiện tượng phụ thuộc vào các phần tử mảng liền kề và ảnh hưởng 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 được khả năng gh p nối
tương hỗ thấp và cách ly cao giữa các phần tử anten liền kề và cũng có thể triệt
tiêu sóng bề mặt, một số phương pháp đã được 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 khơng gian tương đối lớn để đặt hệ
thống anten. Vì vậy, một số kỹ thuật tích hợp hiệu quả cho anten vi dải đang
được sử dụng nhiều trong thời gian gần đây, như phần tử ký sinh [38, 39],
mạng cách ly, đường 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 phương pháp cải thiện hệ số cách ly cổng giữa các
phần tử bức xạ trong anten MIMO.
Thiết kế, tối ưu mô phỏng anten MIMO 2x2 phần tử.
❖ Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Anten vi dải, anten MIMO
Các cấu trúc cải thiện cách ly.
Hệ thống thơng tin 5G bước sóng mm tại tần số 3.6 GHz.
❖ Phương 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.


CHƯƠNG 1: L Ý THUYÉ T VÈ ANTEN VI DẢI
1.1. Giới thiệu chương
Chương 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 trường hợp tổng quát, anten cần được 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 lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau
(trường hợp anten phát), hoặc hệ thống xử lý tín hiệu (trường hợp anten thu).

Hình l.l: Hệ thống thu và phát tín hiệu

Q trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ

Khi năng lượng từ ngu n được truyền tới anten, có 2 trường sẽ được tạo ra.
Một là trường cảm ứng (trường khu gần), trường này ràng buộc với anten; trường
còn lại là trường bức xạ (trường khu xa). Ngay tại anten (trong trường khu gần),
cường độ trường tại đây rất lớn và tỉ lệ tuyến tính với năng


lượng được cấp vào anten. Tại khu xa anten, chỉ có năng
lượng của trường bức xạ là được duy trì. Trường khu xa bao gồm
2 thành phần đó là điện trường và từ trường (hình 1.2).
TRANSMITTING
ANTENNA

RECEIVING
ANTENNA

SIGNAL VOLTAGE

I 'Ĩ

MAGNETIC FIELD

Hình 1. 2: Điện trường và từ trường tại trường khu xa

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

bản của điện động lực học là các phương trình Maxwell.


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 dưới dạng
.<

~iat

phức e

Ẽ= Re(Ẽetat) = Ẽ cos(at)

(1.1a)

E = Im(Ẽeiat) = Ẽ sin(at)

(1.1b)

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:
LƯ
__
rotH = iasp Ẽ + Je

(1.3)

rotẼ = -iaụH
divẼ =

(1.2)

(1.4)
(1.5)

£

divH = 0
Ẽ là biên độ phức của vecto cường độ điện trường: (V/m)
H

là bi ên độ phức của vecto cường độ từ trường: (A/m)

Hệ số điện thẩm phức của môi trường được tính theo cơng thức:
s

p =s

1 -i

(1.6)

—

£ hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường: (F/m)
II hệ số từ thẩm của môi trường: (H/m) ơ điện dẫn xuất của môi trường:
(Si/m)
Je là bi ên độ phức của vecto mật độ dò ng điện: ( —)

pe là mật độ khối của điện tích: (C)
m

2

m

3

Biết rằng ngu n tạo ra trường điện từ là d ng 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 th m vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dịng từ và từ tích. Khái
niệm dịng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng khơng có trong tự nhiên.


Kết hợp với nguy n lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết
như sau:
rotH = i(')£ E + Je

(1.7)

rotE = —iaụH — Jm

(1.8)
divE =

—

£

(1.9)
divH = ——
(1.10)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E và H. Trong phương
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 hướng và độ tăng ích.
- Đ thị phương hướng 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:


(1.11)
Trở kháng vào của anten ngồi ra cịn phụ thuộc vào kích thước hình học của
anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.
Thành phần thực của trở kháng vào R A được xác định bởi công suất đặt vào
anten PA và d ng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe:
(1.12)
Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính
phân bố d ng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số
trường hợp cụ thể có thể tính tốn theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể
truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở
kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.

I.2.3.2. Hiệu suất của anten
Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thơng số
quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten Ĩ]A chính là tỷ số
giữa cơng suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay PA:
(1.13)

>ỈA = P
P

A

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao cơng suất trong anten. Đối
với anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó J]A < 1 .Gọi công suất tổn hao là Pth
P

A — Pbx

+

P

th

(1.14)

Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị
điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:


PA = lẠe R-A = lAe (.Rx + Rh

)

(1.15)

Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành:
„_
A

_

P

bx

P

bx

+

p

bx

R

th

(1.16)

R

bx

+

R

th

I.2.3.3. Hệ số định hướng và hệ số tăng ích
Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau
người ta đưa vào thông số hệ số định hướng (hệ số hướng tính) và hệ số tăng ích
(hệ số khuếch đại hoặc độ lợi). Các hệ số này cho ph p đánh giá phương hướng và
hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của tr n cơ sở so sánh với anten
lý tưởng (hoặc anten chuẩn)
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất Ì]A = 1, và năng lượng bức xạ đồ ng đều
theo mọi hướng. Anten lý tưởng được xem như một ngu n bức xạ vô hướng hoặc
là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng.
Hệ số định hướng của anten D(0,P) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi
chuyển từ anten có hướng tính sang anten vơ hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn
giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (0,P) nào đó:
Trong đó:
D(01 ,P1) là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương (01, P);
bx (ftp')
E xạ của anten có hướng tính ứng với hướng
Pbx(0 ,P) vàD(0P,bx(0) là cơng
suất bức
(1.17)

p

1 P1) =

Pbx (0)

E 2(0)

(0 ,P) và công suất bức xạ của anten vô hướng tại c ng điểm xét.
E(0 ,P), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng.
Điều này có nghĩa là phải tăng l ên D(ỚJ ) lần cơng suất bức xạ Pbx(0) của
anten vơ hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(

Hệ số tăng ích của anten G( 0,ọ) chính là số lần cần thiết phải tăng cơng suất
dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô


hướng để sao cho vẫn giữ nguy n cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã
xác định (0,ọ):
G(ỡ,p) = VAD(0,Ộ)

(1.18)

Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng 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 hướng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có
thể tính được Pbx theo cơng thức sau:
Pbx = PA.GA

(1.19)

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


Hình 1. 3: Đồ thị phương hướng của anten [7]

Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một
như vậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hố. Nó cho phép so sánh đ thị
phương hướng của các anten khác nhau. Trong không gian, đ thị phương hướng
của anten có dang hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong
mặt phẳng ngang (góc ọ) và mặt phẳng đứng (góc 0).
Trường 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 phương hướng khác nhau. Để đánh giá dạng
của đồ thị phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương
hướng hay còn gọi là góc bức xạ. Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai