Phân tích các đặc tính của anten và áp dụng cho anten dipole dài hữu hạn

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM
_________________________________

TIỂU LUẬN CUỐI KÌ

Mơn học: ANTEN TRUYỀN SĨNG

Thành phố Hồ Chí Minh – 06/2021


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM
____________________________________

TIỂU LUẬN CUỐI KÌ

Mơn học: ANTEN TRUYỀN SĨNG

Thành phố Hồ Chí Minh – 06/2021


HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIẸT NAM
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HK

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN CHUNG
Họ và tên sinh viên

...................................................................

Lớp

: .....................................................................Khoá: Khoá 12.........................

Chuyên ngành

: CN Kỹ thuật điện tử - viễn thông.............Mã chuyên ngành: DT-VT

SĐT

:.......................................................................................................................

Email

: ......................................................................................................................

Địa chỉ liên hệ

:.......................................................................................................................
........................................................................................................................

Tên đài tài/tiểu luận: Phân tích các đặt tính của anten và áp dụng cho anten Dipole dài hữu hạn.
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2021
Sinh viên
(Ký và ghi rõ họ tên)


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………….................................................................................
.....................................................................................................................................
.......................................................………………………………………………......
Phần đánh giá:
•

Ý thức thực hiện:

•

Nội dụng thực hiện:

•

Hình thức trình bày:

•

Tổng hợp kết quả:
Điểm bằng số:

Điểm bằng chữ:
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2021
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CAM ĐOAN
_________________________________________________
Tôi xin cam đoan tiểu luận này là cơng trình nghiên cứu của bản thân, được
đúc kết từ quá trình học tập và nghiên cứu thực tiễn trong thời gian qua. Các thông
tin và số liệu được sử dụng trong tiểu luận này là hoàn toàn trung thực.
Sinh viên thực hiện


Mục Lục


Lời nói đầu
Là sinh viên của Học Viện Hàng Khơng Việt Nam, đặc biệt là sinh viên
khối ngành kỹ thuật, dựa trên cơ sở lý thuyết và các bài học trên sách vở thì kiến
thức và khả năng xử lý vấn đề của sinh viên sau khi ra trường rất khó đáp ứng
được nhu cầu của cơng việc. Tiểu luận là những phép thử rất hiệu quả để sinh viên
có thể vận dụng kiến thức và kinh nghiệm của bản thân để rút ra những bài học về
lý thuyết và thực hành. Qua mơn học kĩ thuật lập trình, từ đó ta biết thêm những
kiến thức, những khái niệm về ngơn ngữ C. Từ đó ta áp dụng vào nghiên cứu đến
lập trình vi xử lý và các hoạt động khác liên quan đến lập trình.

7

Chương 1. Lý thuyết chung về Anten
1.1.

Giới thiệu cơ bản về Anten

1.1.1. Định nghĩa:
Anten là một hệ thống hay một thiết bị dùng để bức xạ hay thu nhập năng lượng
điện từ. Anten được sử dụng cho việc truyền năng lượng điện từ giữa máy phát và
máy thu mà không cần một sự tham gia nào của đường dây dẫn như cáp xoắn đơi,
cáp đồng trục, ống dẫn sóng hay sợi quang. Với một nguồn năng lượng điện từ,
anten phát sẽ bức xạ sóng điện từ.
Có 2 loại:
•

Anten phát: Biến đổi tín hiệu điện cao tần từ máy phát thành sóng điện từ tự

do lan truyền trong khơng gian
• Anten thu: Tập trung năng lượng sóng điện từ trong khơng gian thành tín
hiệu điện cao tần đưa đến máy thu.

1.1.2. Các hệ thống Anten
•

Anten thơng dụng: Anten râu trên ơtơ, Anten tai thỏ trên tivi, Anten vòng

cho UHF, Anten Log-chu kỳ cho TV, Anten Parabol thu sóng vệ tinh.
• Trạm tiếp sóng vi ba (Microwave Relay): Anten mặt, Anten Parabol bọc
nhựa.
• Hệ thống thơng tin vệ tinh: Hệ anten loa đặt trên vệ tinh, Anten chảo thu
sóng vệ tinh, Mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz).

• Anten phục vụ nghiên cứu khoa học.

8


1.2. Các đặc tính của Anten
1.2.1. Trở kháng vào của Anten
Anten là một thiết bị dùng để thu, phát sóng điện từ. Tronng mạch ta xem Anten
như là một trở kháng

Chế độ phát: Anten lấy năng lượng tí hiệu từ máy phát và bức xạ điện từ ra môi
trường không gian nên đóng vai trị là tải của ngn.
Chế độ thu: Anten thu sóng điện từ rồi cấp cho tải là máy thu, Anten đóng vai trị
là nguồn của tải tin.
1.2.2. Hiệu suất vào của Anten
Khi anten sử dụng ở chế độ phát thì nó là thiết bị dùng để bức xạ năng lượng sóng
điện từ. Một cách lý tưởng thì anten phát sẽ bức xạ tất cả cơng suất mà nó nhận
được từ nguồn.
Gọi PR là cơng suất bức xạ của Anten:

9


1.2.3. Trường điện từ bức xạ từ Anten
Trường điện ở miền xa Anten có dạng

•
•

Cường độ trường điện phụ thuộc hướng bức xạ: θ,φ

Cường độ trường điện tỉ lệ nghịch với r ( cường độ trường càng giảm khi
càng xa Anten)

Khi điểm quan sát đủ xa Anten, trường bức xạ từ Anten có thể được xem là sóng
phẳng . Khi đó trường từ H có thể được tính:

: là trở kháng sóng mơi trường

Trường điện và trường từ ở vùng xa Anten thì vng góc với nhau và vng góc
với chiều truyền sóng.
10


1.2.4. Công suất trường điện từ bức xạ từ Anten
Vecto Poynting được định nghĩa:

Phần thực của vecto Poynting đặt trưng cho dịng cơng suất của trường điện từ.
Nó được gọi là vecto mật độ công suất.

Vecto mật độ công suất có hướng của vecto r. Như vậy ở miền xa, Anten công suât
chảy theo chiều tia xa dần Anten.ô
Mật độ cơng suất:

Mật độ cơng suất tỉ lệ nghịch với bình phương của r.
Gốc khối:
Góc tính theo radian:

Góc khối tính theo steradian:

Vi phân diện tích:

11


Cường độ bức xạ được định nghĩa: Cường độ bức xạ U của Anten theo một hướng
cho trước là công suất bức xạ trên một đơn vị góc khối theo hướng đó.
Cơng suất bức xạ gửi qua diện tích Ds:

U(θ,φ)==
Cường độ bức xạ không phụ thuộc vào r mà chỉ phụ thuộc θ,φ

Công suất bức xạ từ Anten:

Chọn S là mặt cầu bán kính r lớn bao trùm tồn bộ Anten

12


1.2.5. Sự phân cực
Khi quan sát trường bức xạ ở rất xa Anten. Tại vị trí quan sát có thể xem như
trường bức xạ của Anten là xòng phẳng: vecto cường điện E và trường từ H vng
góc với nhau và vng gó với phương truyền sóng. Tuy nhiên theo thời gian vecto
trường có thể có phương cố định hoặc quay khi quan sát dọc theo hướng truyền
sóng.
•
•
•

Nếu vecto trường có phương cố định: phân cực tuyến tính.
Nếu vecto trường vẽ thành một đường tròn: phân cực tròn.

Nếu vecto trường vẽ thành một ellip: phân cực ellip.

Chiều quay có thể là cùng chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại.

13


•
•

Trường bức xạ từ Anten có các kiểu phân cực khác nhau tùy theo hướng
Người ta thể hiện sự đặc trưng phân cực của Anten bằng một vecto phân
cực:

=>
1.2.6. Đồ thị bức xạ
•
•
•
•
•
•

Đồ thị về cường độ trường E hoặc H.
Đồ thị về công suất, mật độ công suất trường bức xạ.
Đồ thị cường độ bức xạ U.
Đồ thị về độ định hướng D.
Đồ thị ở dạng 3D.
Đồ thị ở dạng 2D: hệ tọa độ cực hoặc tọa độ decard

Thường các đồ thị được vẽ theo hàm đã chuẩn hóa:

14


1.2.7. Độ rộng nữa công suất, độ rộng giữa các giá trị không đầu tiên

15


1.2.8. Góc khối của Anten
Góc khối của antenna là một góc khối theo chùm chính của antenna đang khảo sát.
Cơng suất chảy qua góc khối đó bằng với tồn bộ công suất bức xạ của antenne.
Với giả thuyết là cường độ bức xạ phân bố trong góc khối phân bố đều và có độ
lớn bằng cường độ bức xạ cực đai của antenna đang khảo sát.

Tổng công suất bức xạ từ anten đang khảo sát:
Cơng suất bức xạ qua góc khối của antenna đang giả thuyết:

16


1.2.9. Độ định hướng, hệ số định hướng
Xét 2 Anten: Anten chúng ta đang khảo sát và một Anten giả thuyết. Anten giả
thuyết có cường độ bức xạ phân bố đều và có cùng cơng suất bức xạ với Anten
đang khảo sát.
Độ định hướng D là tỉ số giữa cường độ bức xạ của Anten theo hướng đó và
cường độ bức xạ của Anten đẳng hướng theo hướng tương ứng và có cùng cơng
suất bức xạ.
Vậy cường độ bức xạ của Anten đẳng hướng này bầng cường độ bức xạ trung

bình của Anten đang khảo sát.

Độ định hướng:

Hệ số định hướng:
Max

17


1.2.10. Độ lợi của Anten

Trong trường hợp hiệu suất e của antenna là 100% thì độ lợi của
antenna theo hướng chính là độ định hướng theo hướng tương ứng.
Trường hợp tổng quát độ lợi của antenna:

Độ lợi cực đại của Anten:

Max
1.2.11. Anten thu
Khi có sự phối hợp trở kháng giữa antenna và tải:

Công suất đến tải là lớn nhất:

Nếu không có trở kháng:

Diện tích hiệu dụng của antenna thu.
Khi biết diện tích hiệu dụng của antenna thì có thể tính được công suất khả dụng
của Antenna thu đưa đến tải:

18


Là mật độ cơng suất trung bình của sóng tới trong mặt phẳng tới.
Là vector phân cực của sóng tới.

Diện tích hiệu dụng của antenna dipole Hertz:
Khi phối hợp trở kháng:

Diện tích hiệu dụng của antenna theo hướng cho trước tỉ lệ với độ lợi G của
antenna theo hướng đó.

1.2.12. Tuyến Anten

19


.
Mật độ công suất bức cạ từ Anten phát tại vị trí

=>=
.
=>

=>

Đây là cơng thức truyền dẫn Friis

: Hệ só mất mát của phía thu
: Hệ số mất mát ở phía phát

: Hệ số mất mát khơng gian
Cơng thức tính cơng suất nhận được ở tải phía thu tính theo dBm:

20


Chương 2. Anten Dipole dài hữu hạn
2.1.

Anten Dipole

2.1.1. Cấu tạo
Dipole Anten hay còn được gọi là Anten lưỡng cực là loại ăng-ten vô tuyến đơn
giản nhất, bao gồm một thanh dây dẫn điện có chiều dài bằng một nửa bước sóng
lớn nhất mà ăng-ten tạo ra. Thanh dây này được tách ở giữa, và hai phần được
ngăn cách bởi một chất cách điện. Mỗi thanh được kết nối với một cáp đồng trục ở
đầu gần nhất với giữa ăng-ten.

2.1.2. Chức năng
Anten lưỡng cực (bao gồm cả đơn cực) được sử dụng để cung cấp các ăng
ten định hướng phức tạp hơn như ăng ten sừng, phản xạ parabol hoặc phản xạ góc.
Các kỹ sư phân tích ăng-ten dọc (hoặc đơn cực khác) trên cơ sở ăng-ten lưỡng
cực trong đó chúng là một nửa.
Lưỡng cực cung cấp hiệu suất tốt nhất nếu nó cao hơn một nửa bước sóng so với
mặt đất, bề mặt của một vùng nước hoặc phương tiện dẫn ngang như tấm lợp kim
21


loại. Phần tử cũng phải cách xa các vật cản dẫn điện như cột đỡ, dây điện và các
ăng ten khác một bước sóng nhất định.

2.2.

Anten Dipole có chiều dài hữu hạn

2.2.1. Định nghĩa
Là lưỡng cực có chiều dài L có thể so sánh với bước sóng λ và có phân bố dịng
trên anten như sau:

2.2.2. Tính và
Chú ý: kzcosθ khơng thể ≈ 0 do L có thể so sánh với λ.
22


Nhận xét:
Chúng ta thấy rằng gồm có hai thành phần:
• Thành phần thứ nhất:
•

Thành phần thứ hai:

2.2.3 Tính chất

Đối với hệ số ở mẫu số có thể xấp xỉ:

23


Đối với hệ số pha không thể bỏ qua thành phần

Trường được diễn tả bởi hai hệ số:
•

Giống trường được sinh ra bởi Anten Dipole Hertz.

•

Hệ số khơng gian

2.2.4. Cường độ, công suất, điện trở bức xạ
Cường độ bức xạ:
Công suất bức xạ:
24


� = 0.5772 : Hằng số Euler
Điện trở bức xạ:

25