Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten Metamaterial

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là tìm kiếm cấu trúc Metamaterials đơn giản mà cụ thể trong đề tài là cấu trúc Metamaterial dạng bề mặt trở kháng cao (HIS - High Impedance Surface) để ứng dụng trong thiết kế anten; nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten Metamaterial

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ========== NGUYỄN THỊ THÚY NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN - METAMATERIAL LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2013 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ========== NGUYỄN THỊ THÚY NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN - METAMATERIAL Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử Mã số: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Mạnh Cƣờng HÀ NỘI – 2013 2
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT HIS : High Impedance Surface LHMs : Left handed metamaterials MMs : Metamaterials TE : Transverse electric TM : Transverse magnetic 3
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu................................................................. 11 Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc ............................ 17 Hình 1.3: Phân cực tuyế n tính và phân cực tròn .................................................... 18 Hình 1.4: Cấu trúc anten mạch dải........................................................................ 21 Hình 1.5: Anten mạch dải dạng tấm ...................................................................... 22 Hình 1.6: Anten mạch dải lưỡng cực ..................................................................... 22 Hình 1.7: Anten khe mạch dải ............................................................................... 23 Hình 1.8: Anten mạch dải sóng chạy ..................................................................... 23 Hình 1.9: Tiếp điện bằng đường mạch dải............................................................. 24 Hình 1.10: Tiếp điện bằng cáp đồng trục .............................................................. 24 Hình 1.11: Tiếp điện bằng cách ghép khe .............................................................. 25 Hình 1.12: Tiếp điện bằng cách ghép đôi lân cận .................................................. 25 Hình 1.13: Trường bức xạ E và H của anten mạch dải .......................................... 26 Hình 1.14: Sóng trong cấu trúc mạch dải phẳn ..................................................... 26 Hình 1.15: Mô hình bức xạ của anten mạch dải .................................................... 28 Hình 1.16: Sơ đồ tương đương của anten nửa bước sóng ...................................... 29 Hình 1.17: Sơ đồ tương đương anten phần tư bước sóng ....................................... 30 Hình 1.18: Tiếp điện bằng một đường mạch dải .................................................... 32 Hình 1.19: Tiếp điện bằng hai đường mạch dải vào hai cạnh của anten................ 33 Hình 2.1: (a) Vật liệu có chiết suất âm hoạt động ở tần số GHz; (b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu. ......................................................................................... 36 Hình 2.2: (a) Vật liệu có chiết suất âm làm việc ở gần vùng ánh sáng nhìn thấy; (b) Phổ phản xạ và truyền qua của vật liệu ................................................................. 36 Hình 2.3: Giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa ε và μ, vật liệu có chiết suất âm (n < 0) được chỉ ra trong góc phần tư thứ 3. ................................................................. 38 Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của siêu thấu kính dựa trên metamaterials.......... 39 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động áo choàng tàng hình ............................................. 40 Hình 2.6: Mô hình một bề mặt trở kháng cao ........................................................ 41 4
Hình 2.7: Mạch điện tương đương cho bề mặt trở kháng cao ................................ 42 Hình 2.8: Mặt cắ t ngang của một bề mặt trở kháng cao 2 lớp đơn giản ................ 42 Hình 2.9: Nguồ n gố c của điê ̣n dung và điê ̣n cảm trong cấ u trúc HIS..................... 42 Hình 2.10: Mô hình mạch sử dụng cho bề mặt trở kháng cao ................................ 43 Hình 2.11: Một cặp kim loại cách nhau bởi một khoảng cách ............................... 43 Hình 2.12: Tụ điện trong bề mặt trở kháng cao ..................................................... 44 Hình 2.13: Một tấm điện môi được chia thành các lớp nhỏ ................................... 45 Hình 2.14: Những tấ m kim loại tụ điê ̣n đặt trong tấ m điê ̣n mô............................... 45 Hình 2.15: Một dòng điê ̣n của cuộn dây kim loại tính toán cho điê ̣n cảm tấ m ....... 47 Hình 2.16: Trở kháng của một mạch cộng hưởng tương đương ............................. 48 Hình 2.17: Tính toán pha phản xạ sử dụng mô hình mạch cộng hưởng ................. 49 Hình 2.18: Một diê ̣n tích hình chữ nhật sử dụng cho bề mặt trở kháng................. 50 Hình 2.19: Sóng mặt truyền trên một bề mặt trở kháng bất kì................................ 50 Hình 2.20: Anten dạng tấm trên mặt phẳng đất có bề mặt trở kháng cao............... 53 Hình 2.21: Giá trị S11 cho các anten miếng trên 2 mặt phẳng đất khác nhau ......... 53 Hình 2.22: Đồ thị bức xạ - E của 2 anten miếng ................................................... 54 Hình 3.1: a) Mô phỏng hệ số phản xạ của anten; b) Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng cực; c) Đồ thị bức xạ trong không gian 3D............................................................ 56 Hình 3.2: Qui trình chế tạo anten .......................................................................... 57 Hình 3.3: Mẫu anten metamaterial (trái )và anten mạch dải thông thường (phải) đã chế tạo................................................................................................................... 58 Hình 3.4: Hệ thiết bị đo Vector Network Analyzer ................................................. 50 Hình 4.1: Mô hình anten mạch dải ........................................................................ 59 Hình 4.2: Kết quả mô phỏng anten mạch dải ......................................................... 60 Hình 4.3a: Mô hình HIS ........................................................................................ 61 Hình 4.3b: Mô hình thiết kế 1 cell của bề mặt trở kháng cao ................................. 62 Hình 4.4: Kết quả mô phỏng dải cấm điện từ của HIS ........................................... 62 Hình 4.5: Mô hình anten metamaterial khảo sát .................................................... 63 Hình 4.6: Kết quả mô phỏng anten metamaterial .................................................. 64 5
Hình 4.7: Kết quả mô phỏng anten metamaterial khi thay đổi khoảng cách từ vị trí đặt cấu trúc HIS đến tấm kim loại ......................................................................... 66 Hình 4.8a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ vào khoảng cách từ cấu trúc HIS đến tấm kim loại của anten metamaterial ..................................................................... 66 Hình 4.8b: Sự thay đổi dải tần làm việc khoảng cách từ cấu trúc HIS đến tấm kim loại của anten metamaterial. ................................................................................. 67 Hình 4.9: Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ và đồ thị bức xạ theo góc phân cực của anten metamaterial khi thay đổi bề rộng của cấu trúc HIS. ................................... 68 Hình 4.10a: Sự thay đổi hiệu suất (gain) bức xạ của anten metamatrial vào bề rộng của cấu trúc HIS.................................................................................................... 69 Hình 4.11b: Sự thay đổi dải tần làm việc của anten metamatrial vào bề rộng của cấu trúc HIS .......................................................................................................... 69 Hình 4.12: Mô hình anten metamaterial có cấu trúc HIS ba hàng ......................... 70 Hình 4.13: Kết quả mô phỏng của hai anten metamaterial có cấu trúc HIS khác nhau. 71 Hình 4.14: Kết quả đo phổ phản xạ của anten thường ........................................... 64 Hình 4.15: Kết quả đo phổ phản xạ của anten metamaterial ................................. 64 6
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN .......................................................... 11 1.1.KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN...................................................................................... 11 1.1.1.Khái niệm anten............................................................................................ 11 1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.................................................. 11 1.1.3. Hệ phƣơng trình Maxwell. ........................................................................... 12 1.1.4. Các thông số cơ bản của anten ..................................................................... 14 1.2. ANTEN MẠCH DẢI ......................................................................................... 20 1.2.1.Cấu tạo, phân loại và nguyên lí hoạt động của anten mạch dải ...................... 21 1.2.2. Phƣơng pháp phân tích anten mạch dải ........................................................ 27 1.2.3. Các tính chất của anten mạch dải ................................................................. 29 1.2.4. Ƣu nhƣợc điểm của anten mạch dải ............................................................. 33 CHƢƠNG 2: ANTEN METAMATERIAL ........................................................ 35 2.1.LÍ THUYẾT VỀ METAMATERIALS ................................................................. 35 2.1.1.Giới thiệu chung về metamaterials ................................................................ 35 2.1.2. Các loại vật liệu metamaterials .................................................................... 36 2.1.3. Ứng dụng của metamaterials ........................................................................ 39 2.2. ANTEN METAMATERIAL .............................................................................. 41 2.2.1.Bề mặt trở kháng cao (HIS: High Impedance Surface) .................................. 41 2.2.2. Anten metamaterial...................................................................................... 52 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ............................................. 55 3.1.PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG............................................................................ 55 3.2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................................... 56 3.2.1.Qui trình chế tạo anten.................................................................................. 56 3.2.2. Kết quả ........................................................................................................ 57 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 59 4.1.THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MẠCH DẢI ............................................... 59 7
4.1.1.Thiết kế anten mạch dải thông thƣờng .......................................................... 59 4.1.2. Kết quả mô phỏng anten mạch dải ............................................................... 60 4.1.3. Thảo luận..................................................................................................... 60 4.2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỀ MẶT TRỞ KHÁNG CAO HIS........................... 61 4.2.1.Thiết kế bề mặt trở kháng cao HIS................................................................ 61 4.2.2. Mô phỏng bề mặt trở kháng cao HIS ........................................................... 62 4.2.3. Thảo luận..................................................................................................... 63 4.3. MÔ PHỎNG ANTEN METAMATERIAL .......................................................... 63 4.3.1.Thiết kế anten metamaterial .......................................................................... 63 4.3.2. Kết quả mô phỏng anten metamaterial ......................................................... 64 4.3.3. Thảo luận..................................................................................................... 64 4.4. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA ANTEN METAMATERIAL ...................................................................... 65 4.4.1.Khảo sát ảnh hƣởng của vị trí đặt cấu trúc HIS đến hiệu suất (gain) bức xạ và độ rộng dải tần làm việc của anten metamaterial ................................................... 65 4.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của số lƣợng của cấu trúc HIS lên tính chất điện từ của anten metamaterial ................................................................................................ 68 4.4.3. So sánh gain bức xạ của anten metamaterial có kích thƣớc các ô cơ sở của cấu trúc HIS bằng nhau và khác nhau. ......................................................................... 70 4.5. KẾT QUẢ ĐO .................................................................................................. 64 4.5.1. Kết quả ........................................................................................................ 64 4.5.2 Thảo luận...................................................................................................... 65 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 75 8
MỞ ĐẦU Truyề n thông không dây đã phát triể n rấ t nhanh chóng trong nhƣ̃ng năm gầ n đây, theo đó các thiế t bị di động đang trở nên ngày càng nhỏ gọn hơn. Để thỏa mañ nhu cầ u thu nhỏ các thiết bị di động a nten gắ n trên cá c thiế t bi ̣đầ u cuố i cũng phải đƣơ ̣c thu nhỏ kić h thƣớc . Các anten phẳ ng , chẳ ng ha ̣n nhƣ a nten vi mạch dải (microstrip antenna), có các ƣu điểm hấp dẫn nhƣ kích thƣớc nhỏ và dễ gắn lên các thiế t bi ̣đầ u cuố i… .; chúng sẽ là lự a cho ̣n thỏa mañ yêu cầ u cầ n thiế t ở trên . Cũng bởi lí do này, kĩ thuật thiết kế anten phẳng băng thông rộng , hiệu suất cao đã thu hút rấ t nhiề u sƣ̣ quan tâm của các nhà nghiên cƣ́u về anten. Gầ n đây, đă ̣c biê ̣t là sau năm 2000, nhiề u anten phẳ ng mới đƣơ ̣c thiế t kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyề n thông di đô ̣ng hiê ̣n nay , bao gồ m GSM (Global System for Mobile communication, 890 – 960 MHz), DCS (Digital Communication System, 1710 – 1880 MHz), PCS (Personal Communication System , 1850 – 1990 MHz) và UTMS (Universal Mobile Telecommucation System, 1920 – 2170 MHz), đã đƣơ ̣c phát triể n và đã xuấ t bản trong nhiề u các tài liê ̣u liên quan . Anten phẳ ng cũng rấ t thić h hơ ̣p đố i với ƣ́ng du ̣ ng trong các thiế t bi ̣truyề n thông cho hê ̣ thố ng ma ̣ng cu ̣c bô ̣ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tầ n 2.4GHz (2400 – 2484 MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350MHz). Anten ma ̣ch dải vố n đã có băng thông he ̣p và hiệu suất thấp nên việc nghiên cứu để mở rô ̣ng băng thông và tăng hiệu suất anten thƣờng là nhu cầ u cần thiết đố i với các ƣ́ng du ̣ng thƣ̣c tế hiê ̣n nay . Có nhiều cách để mở rộng băng thông và tăng hiệu suất của Anten mạch dải nhƣ dùng anten mảng hay dùng thay đổi vật liệu… Trong đó việc sử dụng một loại vật liệu mới là Metamaterials để cải thiện các tính chất điện từ của anten là một phƣơng pháp mới rất hiệu quả và đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong những năm gần đây. Metamaterials là vật liệu nhân tạo có cấu trúc đồng nhất hiệu dụng với các tính chất vật lí không có trong vật liệu thông thƣờng. Metamaterials đƣợc hiểu là 9
vật liệu có chiết suất âm với các tính chất vật lí khác biệt so với vật liệu thông thƣờng nhƣ: Đảo ngƣợc điều kiện khúc xạ [4], đảo ngƣợc hiệu ứng Dopler [4], đảo ngƣợc định luật Snell [4], Đảo ngƣợc hiệu ứng Goos-Hanchen [4],…Và một tính chất đặc biệt quan trọng đó là Metamaterials có thể ngăn cản sự lan truyền sóng điện từ [36, 37], lợi dụng tính chất này ta có thể dùng Metamaterials để ngăn chặn sự lan truyền sóng bề mặt của anten làm cải thiện một số tính chất của anten. Với các cấu trúc Metamaterials thiết kế khác nhau có thể thay đổi các tính chất điện từ của các loại Anten. Với những lí do trên chúng tôi đã chọn đề tài “Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial” nhằm tìm ra cấu trúc Metamaterials tối ƣu để cải thiện các tính chất điện từ của anten. Mục đích nghiên cứu của luận văn: + Tìm kiếm cấu trúc Metamaterials đơn giản mà cụ thể trong đề tài là cấu trúc Metamaterial dạng bề mặt trở kháng cao (HIS - High Impedance Surface) để ứng dụng trong thiết kế anten + Nghiên cứu ảnh hƣởng của các tham số cấu trúc lên tính chất điện từ của anten metamaterial. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn là sự kết hợp giữa mô phỏng và chế tạo cùng các phép đo thực nghiệm. Bố cục của luận văn bao gồm 03 phần: Phần 1: MỞ ĐẦU Phần 2: NỘI DUNG Chƣơng 1: Tổng quan về anten Chƣơng 2: Anten metamaterial Chƣơng 3: Phƣơng pháp mô phỏng và thực nghiệm Chƣơng 4: Kết quả và thảo luận Phần 3: KẾT LUẬN 10
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1. KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 1.1.1. Khái niệm anten Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài. Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, ra đa điều khiển…cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Trong trƣờng hợp tổng quát, anten cần đƣợc hiểu là một tổ hợp bao gồm 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 gia công tín hiệu (trƣờng hợp anten thu). Hệ thống Hệ thống Hệ thống Hệ thống cung cấp cảm thụ gia công tín bức xạ bức xạ hiệu tín hiệu Anten phát Anten thu Máy phát Thiết bị Thiết bị Máy thu xử lý điều chế Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu[1] 1.1.2. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ. 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. 11
Để ví dụ ta xét 1 mạch dao động thông số tập trung, có kích thƣớc rất nhỏ so với bƣớc sóng, nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ sẽ phát sinh điện trƣờng biến thiên nhƣng điện từ trƣờng này hầu nhƣ không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đƣờng ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện nên năng lƣợng trƣờng bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lƣợng từ trƣờng tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. Năng lƣợng của cả hệ thống sẽ đƣợc bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch. Nếu mở rộng kích thƣớc của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả 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 qui 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 hữu công). Phần năng lƣợng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lƣợng vô công.[1] 1.1.3. Hệ phƣơng trình Maxwell. Toàn bộ lý thuyết anten đƣợc xây dựng trên cơ sở những phƣơng trình cơ bản của điện động lực học là các phƣơng trình Maxwell. Trong phần trình bày này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hòa theo thời gian,nghĩa là theo quy luật sin, cos dƣới dạng phức e it  E  Re( E e it )  E cos(t ) (1.1a) 12
 E  Im( E e it )  E sin(t ) (1.1b) Các phƣơng trình Maxwell ở dạng vi phân đƣợc viết dƣới dạng:  rotH  i p E  J e (1.2) (1.3) rotE  iH (1.4)  e divE   divH  0 (1.5) E là biên độ phức của vecto cƣờng độ điện trƣờng: (V/m) H là biên độ phức của vecto cƣờng độ từ trƣờng: (A/m) Hệ số điện thẩm phức của môi trƣờng đƣợc tính theo công thức:    (1.6)  p   1  i     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) A J e là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện: ( ) m2 C  e là mật độ khối của điện tích: ( ) m3 Biết rằng nguồn tạo ra trƣờng điện từ là dòng 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 thêm vào hệ phƣơng trình Maxwell các đại lƣợng dòng từ và từ tích. Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tƣợng trƣng chứ chúng không có trong tự nhiên. Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phƣơng trình Maxwell tổng quát đƣợc viết nhƣ sau: rotH  i p E  J e (1.7) 13
rotE  iH  J m (1.8) m divE   (1.9) e divH    (1.10) Giải hệ phƣơng trình Maxwell ta đƣợc nghiệm là E và H. Trong phƣơng trình nghiệm đó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền. 1.1.4. Các thông số cơ bản của anten Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây [3]: - Trở kháng vào - Hiệu suất - Hệ số định hƣớng và độ tăng ích. - Đồ thị phƣơng hƣớng. - Công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng. - Tính phân cực - Dải tần của anten. a. Trở kháng vào của anten Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten: UA (1.11) ZA   R A  jX A IA Trở kháng vào của anten ngoài ra còn 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 dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe: 14
PA (1.12) RA  I Ae Thành phần kháng của trở kháng vào của anten đƣợc xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trƣờng hợp cụ thể có thể tính toán 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. b. Hiệu suất của anten Anten đƣợc xem nhƣ là thiết bị chuyển đổi năng lƣợng, do đó một thông 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: Pbx (1.13) A  PA 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 công 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: PA  I Ae 2 .RA  I Ae 2 Rbx  Rth  (1.15) Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành: Pbx Rbx (1.16) A   Pbx  Pth Rbx  Rth c. Hệ số hướng tính 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 hƣớng tính (hệ số định hƣớng) và hệ số tăng ích (hệ 15
số khuếch đại hoặc độ lợi). Các hệ số này cho phép đánh giá phƣơng hƣớng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trên 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 đồng đều theo mọi hƣớng. Anten lý tƣởng đƣợc xem nhƣ một nguồn 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 vô hƣớng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cƣờng độ trƣờng tại điểm thu ứng với hƣớng (,) nào đó: Pbx (1 , 1 ) E 2 (1 , 1 ) (1.17) D(1 , 1 )   Pbx (0) E 2 (0) 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 công suất bức xạ của anten có hƣớng tính ứng với hƣớng ( 1 , 1 ) và công suất bức xạ của anten vô hƣớng tại cùng điểm xét. E( 1 , 1 ), E(0) là cƣờng độ trƣờng tƣơng ứng của chúng. Điều này có nghĩa là phải tăng lên D( 1 , 1 ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten vô hƣớng để 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 nguyên cƣờng độ trƣờng tại điểm thu theo hƣớng đã xác định (,): 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 luôn 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 công thức sau: Pbx  PA .G A (1.19) G( ,  )   A D( ,  ) (1.18) 16
d. 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 ngoài thông số về hệ số định hƣớng nhƣ đã phân tích ở trên còn đƣợc đặc trƣng bởi đồ thị phƣơng hƣớng của anten. Đồ 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. Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực và toạ độ góc[1] 17
Dạng đồ thị phƣơng hƣớng có giá trị trƣờng theo phƣơng cực đại bằng một nhƣ vậy đƣợc gọi là đồ thị phƣơng hƣớng chuẩn hoá. Nó cho phép so sánh đồ thị phƣơng hƣớng của các anten khác nhau. Trong không gian, đồ 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 không theo sự biến đổi của các góc theo phƣơng hƣớng khác nhau. Để đánh giá dạng của đồ thị phƣơng hƣớng ngƣời ta đƣa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phƣơng hƣớng hay còn 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 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn đƣợc gọi là góc mở nửa công suất. e. Tính phân cực của anten   Trong trƣờng hợp tổng quát, trên đƣờng truyền lan của sóng, các vector E , H có biên độ và pha biến đổi. Theo quy ƣớc, sự phân cực của sóng đƣợc đánh giá và xem xét 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 vuông 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 tròn thì phân cực là tròn 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 1.3: Phân cực tuyế n tính và phân cực tròn[1] 18
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 bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang. Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thƣờng sử dụng anten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trƣờng bé hơn nhiều so với thành phần đứng. f. Dải tần của anten Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của anten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép. Giới hạn đó đƣợc quy định là mức nửa công suất. Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của anten thì việc lệch chuẩn đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50%. Các tần số trong dải tần của anten thƣờng gọi là tần số công tác. Thƣờng dải tần đƣợc phân làm 4 nhóm - Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn): f f  10% tức là max  1.1 f0 f min - Anten dải tần tƣơng đối rộng f f 10%   50% tức là 1.1  max  1.5 f0 f min - Anten dải tần rộng f max 1.5  4 f min - Anten dải tần rất rộng f max 4 f min Trong đó: Δf = fmax – fmin g. Các hệ thống anten  Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF, anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh, anten mạch dải trong các thiết bị di động. 19
 Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa.  Hệ thống thông 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. Quy ƣớc về các dải tần số: Dải tần số Tên, ký hiệu Ứng dụng 3-3 KHz Very low Freq (VLF) Đạo hàng, định vi.̣ 30-300 KHz Low Freq (LF) Pha vô tuyến cho mục đích đạo hàng Phát thanh AM, hàng hải, 300-3000 KHz Medium Freq (MF) trạm thông tin duyên hải, tìm kiếm. Điện thoại, điện báo, phát 3-30 MHz High Freq (HF) thanh sóng ngắn, hàng hải, hàng không. TV, phát thanh FM, điều 30-300 MHz Very High Freq (VHF) khiển giao thông, cảnh sát, taxi, đạo hàng. 300-3000 MHz Ultra High Freq (UHF) Tivi, thông tin vệ tinh, do thám, radar. Hàng không, vi ba, thông 3-30 GHz Super High Freq (SHF) tin di động, vệ tinh. 30-300 GHz Extremly High Freq (EHF) Radar, nghiên cứu khoa học 1.2. ANTEN MẠCH DẢI Lí thuyết về anten mạch dải đã ra đời từ những năm 1950 xong con ngƣời mới thực sự nghiên cứu về nó từ những năm 1970. Đến nay nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị di động nhƣ: Thiết bị di động cầm tay (điện thoại, máy tính,…), máy bay, tên lửa, vệ tinh,… Với các ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ gọn (có thể đạt đƣợc 20