Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tính chất bức xạ điện từ các anten có cấu trúc vi dải

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải hình chữnhật bằng đồng, cấp nguồn theo kiểu đường truyền vi dải có đường dây dẫn vào bằng phần mềm mô phỏng siêu cao tần ADS (Advanced Design System)và Matlab nhằm làm rõ những đặc trưng cơ bản như đặc tính bức xạ, băng thông trở kháng... của antenvi dải.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tính chất bức xạ điện từ các anten có cấu trúc vi dải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Quốc Tự Kiều NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BỨC XẠ ĐIỆN TỪ CÁC ANTEN CÓ CẤU TRÚC VI DẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Quốc Tự Kiều NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BỨC XẠ ĐIỆN TỪ CÁC ANTEN CÓ CẤU TRÚC VI DẢI Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ TRUNG KIÊN Hà Nội - 2017
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Đỗ Trung Kiên, thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn này. Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Vô tuyến, các thầy, các cô trong Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội. Cảm ơn các thầy, các cô đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường cũng như tại bộ môn. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân cùng các bạn trong bộ môn, các bạn cùng làm thực hành tại bộ môn những người đã giúp đỡ, chia sẻ và động viên tôi trong quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Trần Quốc Tự Kiều
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 7 Chƣơng 1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN ....................................................... 9 1.1. Giới thiệu chung về anten ................................................................................. 9 1.2. Hệ phƣơng trình Maxwell và nghiệm ............................................................ 11 1.3. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ở anten ...................................... 13 1.4. Các thông số đặc trƣng của anten ................................................................... 13 1.4.1. Hàm tính hướng ....................................................................................... 13 1.4.2. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng ............................................. 14 1.4.3. Giản đồ bức xạ ......................................................................................... 16 1.4.4. Trở kháng vào của anten.......................................................................... 19 1.4.5. Hệ số định hướng và hệ số tăng ích ......................................................... 20 1.4.6. Mật độ công suất bức xạ và cường độ bức xạ ......................................... 21 1.4.7. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ........................................... 23 1.4.8. Hiệu suất của anten.................................................................................. 23 1.4.9. Tính phân cực của anten .......................................................................... 24 Chƣơng 2. ANTEN VI DẢI VÀ ANTEN MẢNG VI DẢI...................................... 26 2.1. Giới thiệu chung về anten vi dải..................................................................... 26 2.1.1. Định nghĩa về anten vi dải ....................................................................... 26 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của anten vi dải ...................................................... 27 2.1.3. Ưu và nhược điểm của anten vi dải ......................................................... 28 2.1.4. Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải .................................................... 29 2.1.5. Trường bức xạ của anten vi dải ............................................................... 29 2.1.6. Các hình dạng cơ bản của anten vi dải ................................................... 30 2.1.7. Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải .................................................... 31 2.2. Anten mảng vi dải .......................................................................................... 34 2.2.1. Định nghĩa anten mảng vi dải .................................................................. 34 2.2.2. Hệ thống tiếp điện của mảng anten vi dải ............................................... 35 1
Chƣơng 3. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KIỂM TRA CÁC THÔNG SỐ CỦA ANTEN VI DẢI BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SIÊU CAO TẦN ADS VÀ MATLAB .................................................................................................................. 40 3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng ADS (Advanced Design System) ............... 40 3.2. Các thông số cần thiết trong thiết kế và mô phỏng anten vi dải và mảng anten vi dải ...................................................................................................................... 40 3.2.1. Chiều rộng patch ...................................................................................... 41 3.2.2. Chất nền ................................................................................................... 41 3.2.3. Kỹ thuật tiếp điện ..................................................................................... 42 3.2.4. Điện dẫn ................................................................................................... 43 3.2.5. Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng ...................................................... 45 3.3. Thiết kế và mô phỏng anten vi dải sử dụng phần mềm mô phỏng ADS và Matlab .................................................................................................................... 47 3.3.1. Mô phỏng anten đơn ................................................................................ 48 3.3.2. Mô phỏng mảng anten.............................................................................. 49 3.3.3. Kiểm tra các thông số của anten vi dải .................................................... 50 3.3.4. Kiểm tra các thông số quan trọng của mảng an ten vi dải ...................... 52 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 58 2
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Các thông số anten thiết kế ...................................................................... 40 Bảng 3.2: Các thông số sau tính toán của anten vi dải ............................................. 47 Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của hệ sô phản xạ (S11) vào độ rộng khe (Gpf) .................. 50 Bảng 3.4: Sự phụ thuộc của hệ sô phản xạ (S11) vào độ dày lớp điện môi (h) ......... 51 Bảng 3.5: Thông số hệ số phản xạ theo tần số của anten vi dải và mảng anten vi dải.......................................................................................................................... 53 Bảng 3.6: Độ lợi và độ định hƣớng của anten đơn và mảng anten ........................... 56 3
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Anten - thiết bị thu nhận và bức xạ sóng điện từ ........................................ 9 Hình 1.2: Đồ thị phƣơng hƣớng trong hệ tọa độ vuông góc ..................................... 15 Hình 1.3: Đồ thị phƣơng hƣớng trong hệ tọa độ cực ................................................ 15 Hình 1.4: Độ rộng của đồ thị phƣơng hƣớng ............................................................ 16 Hình 1.5: Hệ thống tọa độ để phân tích anten .......................................................... 16 Hình 1.6: Giản đồ bức xạ vô hƣớng của một anten .................................................. 17 Hình 1.7: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa .......... 17 Hình 1.8: Các búp sóng của anten bức xạ hƣớng tính .............................................. 18 Hình 1.9: Sự quay của vector điện trƣờng ................................................................ 24 Hình 1.10: Các loại phân cực .................................................................................... 25 Hình 2.1: Cấu tạo anten vi dải .................................................................................. 26 Hình 2.2: Trƣờng bức xạ E và H của anten vi dải .................................................... 27 Hình 2.3: Điện trƣờng của anten vi dải nhìn từ trên xuống ...................................... 30 Hình 2.4: Điện trƣờng của anten nhìn ngang ............................................................ 30 Hình 2.5: Các dạng anten vi dải thông dụng............................................................. 30 Hình 2.6: Cấp nguồn dùng đƣờng truyền vi dải ....................................................... 32 Hình 2.7: Cấp nguồn dùng cáp đồng trục ................................................................. 33 Hình 2.8: Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép khe - Aperture coupled ................... 33 Hình 2.9: Cấp nguồn dùng phƣơng pháp ghép gần - Proximity Coupled ................ 34 Hình 2.10: Dàn anten 4 phần tử ................................................................................ 35 Hình 2.11: Phối hợp trở kháng bằng đoạn phần tƣ bƣớc sóng ................................. 35 Hình 2.12: Mảng anten tiếp điện nối tiếp 8 phần tử ................................................. 37 Hình 2.13: Cấu trúc mảng anten tiếp điện song song 8 phần tử ............................... 38 Hình 2.14: Hệ thống tiếp điện song song 2 chiều ..................................................... 39 Hình 3.1: Lƣu đồ tính toán thông số ......................................................................... 41 Hình 3.2: Tiếp điện bằng đƣờng truyền vi dải .......................................................... 43 Hình 3.3: Patch chữ nhật và mạch tƣơng đƣơng trong mô hình đƣờng truyền ........ 44 Hình 3.4: Patch hình chữ nhật................................................................................... 46 4
Hình 3.5: Khởi tạo các giá trị ban đầu .............................................................................. 48 Hình 3.6: Tạo file lƣu trữ thông số của chất nền và thiết lập độ dày cho chất nền ........ 48 Hình 3.7: Thiết lập dải tần số hoạt động của anten .......................................................... 49 Hình 3.8: Tạo file chứa anten vi dải .................................................................................. 49 Hình 3.9: Tạo đƣờng truyền cho mảng anten vi dải......................................................... 50 Hình 3.10: Đồ thị thể hiện sự phụ thộc của hệ số phản xạ vào độ rộng khe .................. 51 Hình 3.11: Đồ thị thể hiện sự phụ thộc của hệ số phản xạ vào độ dày lớp điện môi ..... 52 Hình 3.12: Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số của anten vi dải ....... 52 Hình 3.13: Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số của mảng anten vi dải .................................................................................................................................... 53 Hình 3.14: Đồ thị dải băng thông của thiết kế anten vi dải ............................................. 54 Hình 3.15: Đồ thị dải băng thông của thiết kế mảng anten vi dải ................................... 54 Hình 3.16: Đồ thị bức xạ của anten vi dải ........................................................................ 55 Hình 3.17: Đồ thị bức xạ của anten mảng vi dải .............................................................. 55 Hình 3.18: Đồ thị Smith biểu diễn phối hợp trở kháng của anten vi dải ........................ 56 Hình 3.19: Đồ thị Smith biểu diễn phối hợp trở kháng của mảng anten vi dải .............. 56 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TÊN TỪ VIẾT TẮT Ý NGHĨA DCS Digital Communication System PCS Personal Communication System UMTS Universal Mobile Telecommunication System WLAN Wireless Local Area Network ADS Advanced Design System RF Radio Frequency EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power - Công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng CW Clockwise CCW Counterclockwise MTA Microstrip Traveling-Wave Antennas 6
MỞ ĐẦU Truyền thông không dây đã phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, bên cạnh yêu cầu của kỹ thuật ngày càng cao, anten chế tạo mới ngoài việc quan tâm tới giá thành sản xuất, tính tiện dụng của anten nhƣ độ bền, trọng lƣợng anten phải nhẹ, kích thƣớc anten phải nhỏ gọn…cũng là mối quan tâm hàng đầu. Các anten phẳng, chẳng hạn nhƣ anten vi dải (microstrip antenna) có các ƣu điểm hấp dẫn nhƣ kích thƣớc nhỏ, chi phí thấp, dễ chế tạo và dễ tích hợp lên các access-point hay các thiết bị di động. Cũng bởi lí do này, kỹ thuật thiết kế anten phẳng đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu anten. Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều anten phẳng mới đƣợc thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào, bao gồm GSM (Global System for Mobile communication, 890 - 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 - 1880 MHz), PCS (Personal Communication System,1850 - 1990 MHz) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, 1920 - 2170 MHz), đã đƣợc phát triển và xuất bản trong nhiều tài liệu liên quan [7]. Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4 GHz (2400 - 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 - 5350 MHz). Anten vi dải vốn đã có băng thông hẹp nên việc mở rộng băng thông thƣờng là một yêu cầu hết sức quan trọng đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Do đó, việc giảm kích thƣớc và mở rộng băng thông đang là xu hƣớng thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải. Luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế một anten vi dải hình chữ nhật bằng đồng, cấp nguồn theo kiểu đƣờng truyền vi dải có đƣờng dây dẫn vào bằng phần mềm mô phỏng siêu cao tần ADS (Advanced Design System) và Matlab nhằm làm rõ những đặc trƣng cơ bản nhƣ đặc tính bức xạ,băng thông trở kháng … của anten vi dải. Luận văn đƣợc trình bày thành ba chƣơng. Chƣơng 1 tìm hiểu và trình bày tổng quan về anten: giới thiệu chung, các đặc tính, thông số đặc trƣng của anten… 7
Chƣơng 2 tìm hiểu và trình bày về anten vi dải và anten mảng vi dải: cấu tạo, nguyên lý hoạt động của anten vi dải, kỹ thuật tiếp điện…Chƣơng 3 trình bày về phần mềm ADS, kết quả thiết kế và mô phỏng mộtanten vi dải hình chữ nhật bằng đồng, cấp nguồn theo kiểu đƣờng truyền vi dải có đƣờng dây dẫn vào bằng phần mềm mô phỏng siêu cao tần ADS và Matlab. Tuy nhiên do thời gian thực hiện còn hạn chế, có nhiều khó khăn về trang thiết bị, tài liệu do đó luận văn này còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và chỉnh sửa mong các quý thầy cô và bạn đọc đóng góp và chỉ bảo thêm. 8
Chương 1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN 1.1. Giới thiệu chung về anten Việc truyền năng lƣợng điện từ trong không gian có thể đƣợc thực hiện theo hai cách: - Dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ nhƣ đƣờng dây song hành, đƣờng truyền đồng trục, ống dẫn kim loại hoặc điện môi v.v. Sóng điện từ lan truyền trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc - Bức xạ sóng ra không gian dƣới dạng sóng điện từ tự do Nhƣ vậy, thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài đƣợc gọi là anten[1]. Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device). Hình 1.1: Anten- thiết bị thu nhận và bức xạ sóng điện từ [3] Thông 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, gọi là feeder. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện sẽ đƣợc truyền đi theo feeder tới anten phát dƣới dạng sóng điện từ ràng buộc. Ngƣợc lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này đƣợc truyền theo feeder tới máy thu. 9
Yêu cầu của thiết bị anten và feeder là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lƣợng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu. Vì vậy, anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong tất cả các hệ thống vô tuyến điện, đồng thời quyết định rất nhiều vào các tính chất khác nhau của tuyến thông tin liên lạc. Anten có nhiều hình dạng và cấu trúc khác nhau, có loại rất đơn giản nhƣng có loại rất phức tạp [3]. Nếu phân loại dựa trên hình dạng ta có các loại anten sau: * Anten đƣờng: là loại anten quen thuộc vì có ở khắp mọi nơi nhƣ ô tô, nhà cửa, máy bay, tàu vũ trụ, ...Nó gồm anten đƣờng thẳng (anten lƣỡng cực), anten vòng (Loop), anten xoắn (Helix). Trong đó anten vòng không những có dạng tròn mà còn ở dạng vuông, chữ nhật, ellip,... nhƣng anten vòng tròn thì đƣợc sử dụng rộng rãi vì có cấu trúc đơn giản. *Anten góc mở: nó có dạng nhƣ hình nón, hình kim tự tháp hay ống dẫn sóng. Anten này đã trở nên quen thuộc hơn trƣớc đây vì nhu cầu hình thức anten tinh vi ngày càng tăng và việc sử dụng ở tần số cao hơn. Loại anten này rất hữu ích cho máy bay và tàu vũ trụ. *Anten vi dải: anten này gồm một miếng kim loại mỏng đặt trên một bề mặt đất cách nhau bởi lớp điện môi. Miếng kim loại có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhƣ hình chữ nhật, tròn, tam giác, vòng tròn,...Anten này phổ biến vì cấu tạo nhỏ gọn, hiệu suất, chế tạo và cài đặt dễ, giá thành thấp,…Anten này có thể gắn trên máy bay, tên lửa, vệ tinh, xe hơi, thiết bị cầm tay,... * Antenmảng: nhiều ứng dụng đòi hỏi các đặc tính bức xạ mà không thể đạt đƣợc ở một anten duy nhất. Do đó giải pháp là tổng hợp các đặc tính bức xạ của các anten trong việc sắp xếp điện và hình học hợp lý sẽ cho kết quả mong muốn. * Anten phản xạ: do nhu cầu giao tiếp trên một khoảng cách lớn, hình thức anten tinh vi đã đƣợc sử dụng để truyền và nhận tín hiệu phải đi hàng triệu dặm. Dạng anten phổ biến là phản xạ parabol và phản xạ góc. * Anten ống kính: ống kính đƣợc sử dụng chủ yếu để chuẩn trực năng lƣợng khác nhau để ngăn chặn nó lan truyền theo các hƣớng không mong muốn. Nếu định hình hình học đúng và lựa chọn vật liệu thích hợp của ống kính, họ có thể chuyển đổi hình thức khác nhau của năng lƣợng khác nhau vào sóng mặt. 10
Nếu phân loại dựa trên kiểu bức xạ ta có hai loại anten là anten vô hƣớng (Omni-Directional) và anten định hƣớng (Directional). Anten vô hƣớng là anten truyền tín hiệu RF (Radio Frequency) theo tất cả các hƣớng theo trục ngang (song song mặt đất) để cho các máy thu đặt ở các hƣớng bất kỳ đều có thể thu đƣợc tín hiệu của đài phát. Song, anten lại cần bức xạ định hƣớng trong mặt phẳng đứng, với hƣớng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể thu đƣợc tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lƣợng bức xạ theo các hƣớng không cần thiết. Anten định hƣớng là loại anten có hiệu suất bức xạ hoặc thu sóng điện từ theo một hƣớng nhất định cao hơn các hƣớng khác vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số định hƣớng D(θ,ϕ) (mô tả kiểu bức xạ) và độ lợi G(θ,ϕ) (cho ta biết sự tổn hao của nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ). Với nhu cầu ngày càng cao của khoa học kỹ thuật, trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, thông tin viễn thông…nhiệm vụ của anten không chỉ đơn giản là biến đổi năng lƣợng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do mà còn phải bức xạ sóng ấy theo những hƣớng nhất định với các yêu cầu kỹ thuật cho trƣớc. Trong trƣờng hợp tổng quát hiện nay, anten cần đƣợc hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), 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 (anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (anten thu) [1]. 1.2. Hệ phương trình Maxwell và nghiệm Lý thuyết anten đƣợc xây dựng trên cơ sở những phƣơng trình cơ bản của điện động lực học đó là các phƣơng trình Maxwell. Những phƣơng trình Maxwell đã mở ra khả năng có thể tạo đƣợc sóng điện từ trong không gian [6]. Ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hòa theo thời gian, tức là tuân theo quy luật sinωt, cosωt hoặc viết dƣới dạng số phức . Khi đó vector tức thời của cƣờng độ điện trƣờng đƣợc biểu diễn nhƣ sau: ̅ ̅ )= ̅ (1.1a) Hoặc ̅ ̅ )= ̅ (1.1b) 11
Các phƣơng trình Maxwell ở dạng vi phân sẽ đƣợc viết dƣới dạng sau ̅ ̅ ̅ (1.2a) ̅ ̅ (1.2b) (1.2c) ̅ ̅ (1.2c) ̅ là biên độ phức của vector cƣờng độ điện trƣờng (V/m); ̅ là biên độ phƣc của vector cƣờng độ từ trƣờng (A/m); ( )là hệ số điện thẩm phức của môi trƣờng; (1.3) ε là hệ số thẩm tuyệt đối của môi trƣờng (F/m); μ là hệ số từ thẩm của môi trƣờng (H/m); σ là điện dẫn suất của môi trƣờng (Si/m); ̅ là biên độ phức của vector mật độ dòng điện (A/m2); là mật độ khối của điện tích (C/m3); Biết rằng nguồn tạo ra trƣờng điện từ là dòng điện tích 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 thêm vào hệ phƣơng trình Maxwell các đại lƣợng dòng từ và từ tích. Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ có tính chất tƣợng trƣng vì chúng không tồn tại trong thiên nhiên. Nhƣ vậy hệ phƣơng trình Maxwell trong trƣờng hợp tổng quát sẽ đƣợc viết lại nhƣ sau: ̅ ̅ ̅ (1.4a) ̅ ̅ ̅ (1.4b) ̅ (1.4c) ̅ (1.4d) Giải hệ phƣơng trình Maxwell ta đƣợc nghiệm là E, H. Trong phƣơng trình nghiệm sẽ cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E, H và cách thức lan truyền [2]. 12
1.3. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ở anten Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trƣờng hoặc từ trƣờng biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định. Để rõ hơn về vấn đề này ta có thể xét một ví dụ với mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thƣớc nhỏ so với bƣớc sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trƣờng biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trƣờng biến thiên. Nhƣng điện từ trƣờng này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Năng lƣợng điện trƣờng bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lƣợng từ trƣờng chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm [2]. Nếu mở rộng kích thƣớc của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trƣờng biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trƣờng biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đƣờng sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trƣờng xoáy. Theo quy luật của điện trƣờng biến thiên thì điện trƣờng xoáy sẽ tạo ra một từ trƣờng biến đổi từ trƣờng biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trƣờng xoáy hình thành quá trình sóng điện từ. Phần năng lƣợng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do đƣợc gọi là năng lƣợng bức xạ (năng lƣợng có ích). Phần năng lƣợng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lƣợng hao phí [2]. 1.4. Các thông số đặc trưng của anten 1.4.1. Hàm tính hướng Khi sử dụng anten ta cần biết anten đó bức xạ vô hƣớng hay có hƣớng, và ở hƣớng nào anten bức xạ là cực đại, hƣớng nào anten không bức xạ để có thể đặt đúng vị trí anten. Muốn vậy ta phải biết tính hƣớng của anten đó. Một trong các thông số đặc tả hƣớng tính của anten là hàm tính hƣớng. 13
Hàm tính hƣớng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cƣờng độ trƣờng bức xạ của anten theo các hƣớng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi, đƣợc ký hiệu là f(θ,φ). Hàm tính hƣớng đƣợc thể hiện ở các dạng sau: Trong trƣờng hợp tổng quát, hàm tính hƣớng là hàm véc tơ phức, bao gồm các thành phần theo θ và φ f  ,    f  ,   i  f  ,   i (1.5) Hàm tính hƣớng biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tƣơng đối của biên độ cƣờng độ trƣờng bức xạ theo các hƣớng khảo sát khi cự ly khảo sát không đổi, đó chính là biên độ của hàm tính hƣớng phức (cụ thể hơn là modun của hàm tính hƣớng phức). f  ,    f  ,    f  ,   2 2 (1.6) Để đơn giản cho việc khảo sát tính hƣớng của một anten cũng nhƣ thiết lập và phân tích đồ thị phƣơng hƣớng ta thƣờng dùng một hàm biên độ chuẩn hóa, là hàm số biểu thị biên độ cƣờng độ trƣờng ở hƣớng khảo sát trên biên độ cƣờng độ trƣờng ở hƣớng cực đại. f  ,   F  ,    f  ,  max (1.7) Nhƣ vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1. 1.4.2. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng Hàm tính hƣớng cho biết giá trị cụ thể của tính hƣớng một anten, nhƣng muốn cảm nhận trực quan tính hƣớng của một anten ta phải sử dụng đồ thị. Đồ thị phƣơng hƣớng đƣợc vẽ bởi hàm tính hƣớng. Đồ thị phƣơng hƣớng của anten mô tả quan hệ giữa cƣờng độ trƣờng bức xạ hoặc công suất bức xạ của anten trong các hƣớng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố định (tính từ anten). Đồ thị phƣơng hƣớng đƣợc biểu diễn trong không gian ba chiều (có dạng hình khối) nhƣng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ. Thông thƣờng, đồ thị phƣơng hƣớng là một mặt cắt của đồ thị hƣớng tính ba chiều.Đó là đồ thị hƣớng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại đồ thị có thể hiển thị dễ dàng trên giấy. 14
1,0 0,75 0,50 0,25 o -90 -60 -30 0 30 60 90 Hình 1.2: Đồ thị phƣơng hƣớng trong hệ tọa độ vuông góc Hình 1.3: Đồ thị phƣơng hƣớng trong hệ tọa độ cực Để đơn giản đồ thị phƣơng hƣớng thƣờng đƣợc vẽ từ hàm tính hƣớng biên độ chuẩn hóa và đƣợc gọi là đồ thị phƣơng hƣớng chuẩn hóa của anten. Nó cho phép so sánh đồ thị phƣơng hƣớng của các anten khác nhau. Từ đồ thị phƣơng hƣớng trên Hình 1.3 nhận thấy rằng, giá trị trƣờng bức xạ biến đổi theo sự biến đổi của các góc phƣơng hƣớng khác nhau. Vì vậy để đánh giá dạng của đồ thị phƣơng hƣớng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thị phƣơng hƣớng hay còn gọi là độ rộng búp sóng. Độ rộng búp sóng đƣợc xác định bởi góc giữa hai hƣớng mà theo hai hƣớng đó cƣờng độ trƣờng hoặc công suất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định. Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thƣờng thì độ rộng búp sóng nửa công suất đƣợc sử dụng. Độ rộng búp sóng nửa công suất là góc giữa hai hƣớng mà theo hai hƣớng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạ cực đại. Nếu tính theo giá trị của cƣờng độ điện trƣờng thì độ rộng búp sóng này ứng với góc giữa hai hƣớng mà theo hai hƣớng đó cƣờng độ điện trƣờng giảm đi √ lần so với giá trị cực đại của anten trong tọa độ cực. Nhƣ vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lƣợng bức xạ theo một hƣớng nào đó [6]. 15
00 0 2 1 ( 3dB ) Pmax / 2 2 Pmax 90 0 2 0 Pmax / 2 0 180 0 Hình 1.4: Độ rộng của đồ thị phƣơng hƣớng [6] 1.4.3. Giản đồ bức xạ Các tín hiệu vô tuyến bức xạ bởi anten hình thành một trƣờng điện từ với một giản đồ xác định, và phụ thuộc vào loại anten đƣợc sử dụng. Giản đồ bức xạ này thể hiện các đặc tính định hƣớng của anten. Giản đồ bức xạ của anten đƣợc định nghĩa nhƣ sau: “là một hàm toán học hay sự thể hiện đồ họa của các đặc tính bức xạ của anten, và là hàm của các tọa độ không gian”. Trong hầu hết các trƣờng hợp, giản đồ 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 dọc theo một đƣờng hay một bề mặt có bán kính không đổi. Hệ tọa độ cực thƣờng đƣợc sử dụng để thể hiện trƣờng bức xạ trong Hình 1.5. Hình 1.5: Hệ thống tọa độ để phân tích anten [3] * Giản đồ đẳng hướng và hướng tính Anten đẳng hƣớng chỉ là một anten giả định, bức xạ đều theo tất cả các hƣớng. Mặc dù nó là lý tƣởng và không thể thực hiện đƣợc về mặt vật lý, nhƣng ngƣời ta thƣờng sử dụng nó nhƣ một tham chiếu để thể hiện đặc tính hƣớng tính của 16
antenthực.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 đồ bức xạ hƣớng tính đƣợc thể hiện trong Hình 1.6. Ta nhận thấy rằng giản đồ này là không hƣớng tính trong mặt phẳng chứa vector H (azimuth plane) với * + và hƣớng tính trong mặt phẳng chứa vector E (elevation plane) với [ ] Hình 1.6: Giản đồ bức xạ vô hƣớng của một anten [3] Mặt phẳng E đƣợc định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector điện trƣờng và hƣớng bức xạ cực đại”, và mặt phẳng H đƣợc định nghĩa là “mặt phẳng chứa vector từ trƣờng và hƣớng bức xạ cực đại”. Trong thực tế ta thƣờng chọn hƣớng của anten thế nào để ít nhất một trong các mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với một trong các mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z). Một ví dụ đƣợc thể hiện trong Hình 1.6. Trong ví dụ này, mặt phẳng x-z (với ϕ=0) là mặt phẳng E và mặt phẳng x-y (với θ=π/2) là mặt phẳng H. Hình 1.7: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa [3] 17