Tài liệu Cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten vi dải sử dụng bề mặt metamaterial

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN ........................................................................4 1.1. Giới thiệu chư ng .....................................................................................................4 1.2. Khái niệm nten .......................................................................................................4 1.3. Quá trình vật lý của bức xạ sóng điện từ .................................................................5 1.4. Hệ phư ng trình Maxwell ........................................................................................5 1.5. Các thông số c bản của anten .................................................................................6 1.5.1. Trở kháng vào của anten ..................................................................................7 1.5.2. Hiệu suất của anten ...........................................................................................7 1.5.3. Hệ số đ nh hướng ..............................................................................................8 1.5.4. Độ lợi ................................................................................................................8 1.5.5. Đồ th phư ng hướng và góc bức xạ của anten ................................................9 1.5.6. Tính phân cực của anten ...................................................................................9 1.5.7. Dải tần của anten ............................................................................................10 1.5.8. Các hệ thống anten..........................................................................................11 1.6. Kết luận chư ng .....................................................................................................12 Chƣơng : ANTEN VI DẢI .......................................................................................13 2.1. Giới thiệu chư ng ...................................................................................................13 2.2. Giới thiệu chung về anten vi dải .............................................................................13 2.3. Các hình dạng c bản của anten vi dải ...................................................................14 2.4. Đặc tính của anten vi dải ........................................................................................15 2.5. Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten vi dải ................................................................16 2.5.1. Cấp nguồn bằng đường truyền vi dải ...............................................................16 2.5.2. Cấp nguồn bằng probe đồng trục ....................................................................17 2.5.3. Ghép nguồn bằng phư ng pháp ghép khe ......................................................17 2.5.4. Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép gần ........................................................18 2.6. Băng thông của anten vi dải ...................................................................................18 2.7. Nguyên lý bức xạ của anten vi dải [4] ....................................................................19 2.8. Trường bức xạ của anten vi dải ..............................................................................21 2.8.1. Thế vect và một số công thức tính trường bức xạ ........................................21 2.8.2. Công suất bức xạ.............................................................................................23 2.8.3. Công suất tiêu tán ...........................................................................................23 2.8.4. Năng lượng tích lũy ........................................................................................24 2.8.5. Trở kháng vào .................................................................................................24 2.9. Sự phân cực sóng ....................................................................................................25 2.10. Kết luận chư ng ...................................................................................................25 Chƣơng : CÁC M H NH PH N T CH ANTEN VI DẢI ..................................26 3.1. Giới thiệu chư ng ...................................................................................................26 3.2. Các mô hình ph n tích anten vi dải ........................................................................26 3.3. Mô hình đường truyền ...........................................................................................26 3.3.1. Hiệu ứng viền..................................................................................................27 3.3.2. Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng .................28 3.4. Mô hình hốc cộng hưởng........................................................................................29 3.4.1. Các mode trường – TMx .................................................................................31 3.4.2. Trường bức xạ - Mode TMx010........................................................................34 3.4.3. Độ đ nh hướng ................................................................................................36 3.5. nh hưởng ghép tư ng h gi a hai anten vi dải ....................................................38 3.6. Kết luận chư ng .....................................................................................................40 Chƣơng 4 : METAMATERIAL .................................................................................41 4.1. Giới thiệu chư ng ...................................................................................................41 4.2. Vật liệu t ng hợp Right left-handed transmission line ..........................................41 4.2.1. Giới thiệu về LHMs ........................................................................................41 4.2.2. L thuyết về CRLH ........................................................................................42 4.3. Khái niệm về siêu vật liệu Metamaterial ................................................................45 4.3.1. L ch sử phát tri n ............................................................................................45 4.3.2. Đ nh ngh a.......................................................................................................46 4.3.3. Tính chất .........................................................................................................46 4.3.4. Ph n loại .........................................................................................................47 4.3.5. ng dụng ........................................................................................................49 4.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................49 4.5. Kết luận chư ng .....................................................................................................50 Chƣơng : THIẾT KẾ VÀ M PHỎNG ..................................................................52 5.1. Giới thiệu chư ng ...................................................................................................52 5.2. C sở l thuyết ........................................................................................................52 5.3. Thiết kế ...................................................................................................................54 5.3.1. Anten Patch vi dải hình ch nhật ....................................................................54 5.3.2. nten kết hợp MC .......................................................................................57 5.5. Kết luận chư ng .....................................................................................................68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................69 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................70 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) CẢI THIỆN HIỆU SUẤT BỨC XẠ CHO ANTEN VI DẢI SỬ DỤNG BỀ MẶT METAMATERIAL Học viên: Trần Quang Phong Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Khóa 31 Tóm tắt – Luận văn thực hiện thiết kế và mô phỏng anten patch vi dải hoạt động ở tần số 2.4 GHz, sử dụng bề mặt Metamaterial. Chất nền Rogers RT Duroid 5580 dày 1.6 mm, có hằng số điện môi là 2.2, được sử dụng đ thiết kế anten. nten gốc là loại anten patch vi dải hình ch nhật, sử dụng cấu trúc insetfeed, có hiệu suất bức xạ thấp và băng thông hẹp. nten thiết kế sau khi thêm vật liệu MC (Artificial Magnetic Conductor Surface) vào sẽ cải thiện đáng k các nhược đi m của anten gốc. Luận văn sử dụng phần mềm Ansoft HFSS đ mô phỏng và thiết kế. Từ khóa – Hiệu suất bức xạ; độ lợi; metamaterial; MC; anten vi dải. IMPROVING GAIN FOR MICROSTRIP ANTENNAS USING METAMATERIAL SUFACES Abstract – This thesis designs and simulates patch antennas operating at 2.4 GHz using the Metamaterial surfaces. A 1.6 mm thicker Rogers RT/ Duroid 5880 is used as a substrate material in the design of the antenna. The relative permittivity of the substrate is 2.2. The conventional patch antenna is a rectangular patch antenna using an inset-feed structure, which have low gain and narrow bandwidth. Antenna design that adding Artificial Magnetic Conductor Surface (AMC) will improve the disadvantages of the conventional antenna. The thesis uses Ansoft HFSS software to simulate and design. Key words – Gain; metamaterial; AMC; microstrip antennas. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết t t Tiếng anh Tiếng việt AMC Artificial Magnetic Conductor Surface Bề mặt chất dẫn từ nh n tạo BW Bandwidth Băng thông CRLH Composite Right/left-handed transmission line metamaterial Vật liệu t ng hợp tu n theo quy t c bàn tay trái phải DNG Double Negative Chiết suất m DPS Double Positive mediums Chiết suất dư ng ENG Epsilon-Negative Độ điện th m m FEM Finite Element Method Phư ng pháp phần tử h u hạn HFSS High Frequency Structural Simulator Mô phỏng cấu tr c tần số cao LHMs Left Handed Materials Vật liệu thuận tay trái MNG Mu-Negative Độ từ th m m MSA Microstrip Antennas SRR Split Ring Resonator V ng chia cộng hưởng TL General Transmision Line Đường truyền chung VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng nten vi dải DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1. 5.1. 5.2. Tên bảng ng dụng của anten theo băng tần Các thông số anten thiết kế So sánh các thông số của các anten đã thiết kế Trang 11 54 67 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. Tên hình Trang Hệ thống thu và phát tín hiệu Đồ th phư ng hướng trong tọa độ cực và tọa độ góc Các dạng ph n cực của anten nten vi dải Các dạng anten vi dải thông dụng. Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải. Cấp nguồn dùng cáp đồng trục Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép khe – Aperture coupled Cấp nguồn dùng phư ng pháp ghép gần – Proximity Coupled Ph n bố điện tích và d ng điện trong anten vi dải hình ch nhật. Hằng số điện môi hiệu dụng Chiều dài vật l và chiều dài hiệu dụng miếng patch Ph n bố điện tích và d ng điện Ph n tích mô hình anten vi dải trên trục tọa độ Các mode trường bức xạ anten vi dải S p xếp anten vi dải trong mặt phẳng E và H S đồ mạch tư ng đư ng RC của các mô hình PRH a , PLH b và CRLH c Đồ th ph n tán của đường truyền PRH a , PLH b , CRLH (c) S đồ mạch tư ng đư ng và đồ th ph n tán của đường truyền CRLH c n bằng Ph n loại các loại vật liệu Mô hình vật liệu plasma điện Mô hình vật liệu plasma từ Mô hình t hợp của vật liệu plasma điện và từ Mô hình vật liệu hấp thụ và kết quả mô phỏng đo đạc Mô hình MC dạng nấm S đồ mạch điện tư ng đư ng S đồ tư ng đư ng của cấu tr c đường truyền Hình dạng và kích thước anten patch vi dải hình ch nhật Đồ th S11 của anten patch vi dải hình ch nhật 4 9 10 13 14 17 17 17 18 19 28 29 30 32 34 38 42 43 44 47 47 48 48 49 52 52 52 56 56 Số hiệu hình 5.6. 5.7. 5.8. 5.9. 5.10. 5.11. 5.12. 5.13. 5.14. 5.15. 5.16. 5.17. 5.18. 5.19. 5.20. 5.21. 5.22. 5.23. 5.24. 5.25. Tên hình Trang Mô hình bức xạ của anten patch vi dải hình ch nhật Kích thước và v trí các Via trong anten S đồ bố trí các tấm AMC 28x29 mm theo cách 1 Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm theo cách 1 Mô hình bức xạ của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm theo cách 1 S đồ bố trí các tấm AMC 28x29 mm theo cách 2 Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm theo cách 2 Mô hình bức xạ của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm theo cách 2 S đồ bố trí các tấm AMC 28x29 mm theo cách 3 Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm theo cách 3 Mô hình bức xạ của anten sử dụng các tấm AMC 28x29 mm theo cách 3 S đồ bố trí các tấm AMC 34x34 mm theo cách 1 Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 34x34 mm theo cách 1 Mô hình bức xạ của anten sử dụng các tấm AMC 34x34 mm theo cách 1 S đồ bố trí các tấm AMC 34x34 mm theo cách 2 Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 34x34 mm theo cách 2 Mô hình bức xạ của anten sử dụng các tấm AMC 34x34 mm theo cách 2 S đồ bố trí các tấm AMC 40x40 mm Đồ th S11 của anten sử dụng các tấm AMC 40x40 mm Mô hình bức xạ của anten sử dụng các tấm AMC 40x40 mm 57 58 58 59 59 60 60 61 61 62 62 63 63 64 64 65 65 66 66 67 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong thế giới truyền thông không d y đã và đang phát tri n một cách mạnh mẽ như hiện nay, việc trao đ i thông tin không chỉ đ n thuần là đối thoại thông thường với băng thông hẹp, tốc độ thấp mà con người ngày nay c n đ i hỏi phải được truy cập d liệu, m thanh, hình ảnh với tốc độ cao băng thông rộng. Vấn đề đặt ra là làm thế nào đ n ng cao dung lượng của hệ thống trong khi băng tần của vô tuyến ngày càng hạn hẹp? Các anten phẳng như anten vi dải có các ưu đi m hấp dẫn như kích thước nhỏ, chi phí thấp và dễ g n lên các thiết b đầu cuối, ch ng sẽ là lựa chọn thỏa mãn yêu cầu thiết kế ở trên. Tuy nhiên, anten vi dải có nhược đi m là băng thông hẹp và độ lợi thấp và suy hao sóng bề mặt nên việc nghiên cứu đ mở rộng băng thông cũng như tăng hiệu suất anten là nhu cầu cần thiết đối với các ứng dụng thực tế hiện nay. Khoảng 15 năm từ khi khi Metamaterials xuất hiện như một hướng nghiên cứu khoa học mới trong l nh vực điện từ trường, quang học, vật l học và các anten được xem là ứng dụng thành công nhất của siêu vật liệu này. Nó đã tạo ra nhiều công nghệ mới hoặc cải tiến ở mức độ cao. Ngày nay, anten Metamaterials đang được thiết kế và sản xuất cho truyền thông không d y, truyền năng lượng, và số lượng cảm biến ngày càng tăng nhanh chóng, nhất là trong thời đại Internet of Things IoT phát tri n như hiện nay. Do đó, tôi đã chọn đề tài “Cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten vi dải sử dụng bề mặt Metamaterial”, nhằm cải thiện hiệu quả h n n a hiệu suất của anten vi dải, góp phần phục vụ nhu cầu viễn thông của xã hội ngày một tốt h n. Bảng 1.0 Số lượng bài báo liên quan đến anten metamaterial. Nguồn: Thomson Reuters Web of ScienceTM. 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 1 2 8 13 30 63 90 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 102 126 134 177 256 245 293 . Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten vi dải. - So sánh và đánh giá hiệu quả của thiết kế so với anten chu n và các thiết kế có trước. 2 . Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: anten Metamaterial - Phạm vi nghiên cứu: mô phỏng và đánh giá kết quả 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phư ng pháp luận xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu l thuyết và mô phỏng đ làm rõ nội dung đề tài. Cụ th như sau: - Nghiên cứu và thiết kế anten vi dải. - Nghiên cứu cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten vi dải sử dụng bề mặt Metamaterial. - Sử dụng phần mềm HFSS đ mô phỏng. - So sánh và đánh giá kết quả thực hiện. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Mặc dù đã manh nha từ l u nhưng kỷ nguyên IoT chỉ thực sự được sự được ch và bùng n trong nh ng năm gần đ y, sau sự phát tri n của điện thoại thông minh, máy tính bảng và nh ng kết nối không d y,…Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết b mạng hàng đầu hiện nay dự báo: đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, bao gồm hàng tỷ thiết b di động, tivi, máy giặt, …Tất cả nh ng bộ cảm biến sẽ tạo ra hàng n i d liệu, do đó sẽ th c đ y các nhà cung cấp mạng di động phải n ng cấp hạ tầng mạng, nhằm đáp ứng nhu cầu truyền tải ngày càng tăng của thế giới IoT. Việc nghiên cứu cải thiện hiệu suất bức xạ cho anten có ngh a khoa học trong việc tăng chất lượng thiết b đầu cuối, đáp ứng yêu cầu viễn thông thực tiễn của xã hội. 6. Cấu trúc của luận văn Chƣơng 1: Tổng quan về anten Chư ng 1 trình bày một cách t ng quát về anten, cho ta hi u về khái niệm anten là gì, các công thức tính toán và các công thức c bản liên quan về anten (như trở kháng vào, hiệu suất, hệ số đ nh hướng, đồ th phư ng hướng, công suất bức xạ đẳng hướng tư ng đư ng, tính ph n cực, dải tần của anten và ứng dụng của anten vào đời sống. Chƣơng : L thu ết anten vi dải Chư ng 2 giới thiệu chi tiết về anten vi dải, đ y là một loại anten ph biến, đ n giản, với nhiều hình dạng khác nhau, qua chư ng này ta hi u được một số đặc tính của anten như thế vect , công suất, năng lượng tích lũy và trở kháng vào…, các k thuật cấp nguồn cho anen , băng thông cũng như nguyên l bức xạ của anten vi dải. 3 Chƣơng : Các m h nh ph n tích anten vi dải Chư ng 3 trình bày các mô hình ph n tích của anten vi dải như mô hình đường truyền và mô hình hốc cộng hưởng. Chƣơng 4: Metamaterial Vật liệu Metamaterial là một loại vật liệu đặc biệt mà các tính chất phụ thuộc chủ yếu vào cấu tr c, ch ng có một số tính chất đặc biệt mà vật liệu thông thường không có. Vật liệu Metamaterial thường có hằng số điện môi m, độ từ th m m hay chiết suất m, do đó các tính chất của Metamaterial trở nên bất thường so với vật liệu thông thường. Nội dung chư ng 4 cung cấp thêm một số công thức và một số ứng dụng c bản của vật liệu Metamaterial. Việc tìm hi u và n m rõ về tính chất của vật liệu là tiền đề đ tiến hành thiết kế và mô phỏng anten. Chƣơng : Thiết kế và m phỏng Chư ng 5 trình bày thiết kế và mô phỏng anten vi dải c metamaterial. So sánh các thiết kế và đưa ra kết luận. bản và anten 4 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1. Giới thiệu chƣơng nten là một l nh vực nghiên cứu khó, c sở l thuyết khá phức tạp. Vì vậy việc nghiên cứu đ i hỏi nhiều thời gian, công sức. Tuy nhiên nếu n m v ng được các kiến thức c bản về anten thì việc ứng dụng vào thực tiễn trở nên đ n giản h n. Trong chư ng 1 , các khái niệm c bản về anten, phư ng trình Maxwell cũng như một số thông số c bản của nten được trình bày một cách chi tiết và cụ th . 1.2. Khái niệm Anten nten là thiết b dùng đ bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài. Với sự phát tri n của kỹ thuật trong l nh vực thông tin, ra đa điều khi n… cũng đ i hỏi anten không chỉ đ n thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà c n tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Trong trường hợp t ng quát, anten được hi u là một t hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc ph n phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau trường hợp anten phát , hoặc hệ thống gia công tín hiệu trường hợp anten thu . Hình 1.1. Hệ thống thu và phát tín hiệu [2]. 5 1.3. Quá tr nh vật l của bức xạ sóng điện từ [2] Về nguyên l , bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong nh ng điều kiện nhất đ nh. Đ ví dụ ta xét 1 mạch dao động thông số tập trung, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng, nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đ i thì trong không gian của tụ sẽ phát sinh điện trường biến thiên nhưng điện từ trường này hầu như không bức xạ ra ngoài mà b ràng buộc với các phần tử của mạch. D ng điện d ch chuy n qua tụ điện theo đường ng n nhất trong khoảng không gian gi a hai má tụ điện nên năng lượng trường b giới hạn trong khoảng không gian ấy. C n năng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong một th tích nhỏ trong l ng cuộn cảm. Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có t n hao nhiệt trong các d y dẫn và điện môi của mạch. Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì d ng d ch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn h n trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn ch ng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, ngh a là các đường sức điện sẽ không c n ràng buộc với điện tích của 2 má tụ n a mà ch ng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy. Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đ i từ trường biến đ i lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ. Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ năng lượng h u công . Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công. 1.4. Hệ phƣơng tr nh Maxwell Toàn bộ l thuyết về anten được x y dựng trên c sở nh ng phư ng trình c bản của điện động lực học là các phư ng trình Maxwell [2].Trong phần này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đ i điều h a theo thời gian, ngh a là theo quy luật sin, cos dưới dạng phức ⃗ (̅ ) ̅ ( ) (1.1a) ⃗ (⃗ ) ⃗ ( ) (1.1b) Các phư ng trình Maxwell ở dạng vi ph n được viết dưới dạng ⃗⃗ ̅ ̅ ̅ ̅ (1.2) (1.3) 6 ̅ (1.4) ̅ (1.5) Trong đó : ̅ là biên độ phức của vecto cường độ điện trường: V m ̅ là biên độ phức của vecto cường độ từ trường: m Hệ số điện th m phức của môi trường được tính theo công thức: ( ) (1.6) Trong đó: hệ số điện th m tuyệt đối của môi trường: F m hệ số từ th m của môi trường: H m điện dẫn xuất của môi trường: Si m ̅ là biên độ phức của vecto mật độ d ng điện: ( là mật đọ khối cua điện tích: ( ) ) Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là d ng điện và điện tích. Nhưng trong môt số trường hợp, đ dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phư ng trình Maxwell các đại lượng d ng từ và từ tích. Khái niệm d ng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ ch ng không có trong tự nhiên. Kết hợp với nguyên l đ i lẫn, hệ phư ng trình Maxwell t ng quát được viết như sau: ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ (1.7) (1.8) ̅ (1.9) ̅ (1.10) Giải hệ phư ng trình Maxwell ta được nghiệm là E và H. Trong phư ng trình nghiệm đó cho ch ng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền. 1.5. Các th ng số cơ bản của anten Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện c bản sau đ y: - Trở kháng vào - Hiệu suất 7 - Hệ số đ nh hướng và độ tăng ích - Đồ th phư ng hướng - Công suất bức xạ đẳng hướng tư ng đư ng - Tính ph n cực - Dải tần của anten 1.5.1. 1.5.2. Trở kháng vào của anten [1] Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số gi a điện áp UA đặt vào anten và d ng điện IA trong anten: (1.11) Trở kháng vào của anten ngoài ra c n phụ thuộc vào kích thước hình học của anten và trong một số trường hợp c n phụ thuộc vào vật đặt gần anten. Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác đ nh 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 đ nh bởi đặc tính ph n bố d ng điện và điện áp dọc theo anten đối với anten d y và trong một số trường hợp cụ th có th tính toán theo các bi u thức của đường d y truyền sóng. Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất đ nh vì vậy đ có th truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng gi a đầu ra máy phát và đầu vào của anten. 1.5.3. Hiệu suất của anten nten được xem là thiết b chuy n đ i năng lượng, do đó một số thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất anten được tính bằng công thức [2] (1.13) Trong đó : : Hiệu suất t ng : Hiệu suất phản xạ : Hiệu suất điện dẫn : Hiệu suất điện môi Công thức 1.13 được viết lại thành ( | | ) (1.14) 8 Trong đó: : Hệ số phản xạ, : Hiệu suất bức xạ của anten VSWR : Hệ số sóng đứng của anten , VSWR = 1.5.4. Hệ số | | | | nh hư ng Như đã biết anten có rất nhiều loại đ so sánh gi a các anten với nhau người ta đưa vào thông số hệ số đ nh hướng . Hệ số đ nh hướng của anten ( bức xạ trung bình [4] ( ( ) ) là tỉ lệ gi a cường độ bức xạ và cường độ ) ( ) (1.15) Trong đó: D( ( ) là hệ số đ nh hướng của anten có hướng với phư ng ( ) : Cường độ bức xạ theo hướng ( ) ) : Cường độ bức xạ trung bình : T ng năng lượng bức xạ W Hệ số đ nh hướng cực đại đặc trưng cho khả năng tập trung năng lượng bức xạ theo mội hướng cho trước : ( ) 1.5.5. Đ ợi Một thông số khác miêu tả công suất của anten là độ lợi . Độ lợi của một anten được xác đ nh theo công thức sau [4] ̀ Độ lợi = ́ ( Hay ́ ̣ ̀ ̀ ̣ ) (1.17) T ng công suất bức xạ Prad liên hệ với công suất vào Pin bởi công thức: (1.18) Từ công thức 1.17 và 1.18 công thức tính độ lợi được viết lại ( ) ( ) ( * ) + (1.19) Từ 1.15 và 1.19 ta có: ( ) (1.20) 9 Độ lợi tuyệt đối của anten Trong đó: ( ) : Hiệu suất t ng ( ) ( ) (1.21) : Hiệu suất phản xạ : Hiệu suất bức xạ ( ): Hệ số đ nh hướng 1.5.6. Đồ th phương hư ng và góc bức xạ của anten Mọi anten đều có tính phư ng hướng ngh a là ở một hướng nào đó anten phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có th ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu h n hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ. Vì vậy vấn đề là phải xác đ nh được tính hướng tính của anten. Hướng tính của anten ngoài các thông số về hệ số đ nh hướng như đã ph n tích ở trên c n được đặc trưng bởi đồ th phư ng hướng của anten. Đồ th phư ng hướng là một đường cong bi u th quan hệ phụ thuộc giá tr tư ng đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại nh ng đi m có khoảng cách bằng nhau và được bi u th trong hệ tọa độ cực tư ng ứng với các phư ng của đi m xem xét. Hình 1.2. Đồ th phư ng hướng trong tọa độ cực và tọa độ góc [4] Dạng đồ th phư ng hướng có giá tr trường theo phư ng cực đại bằng một như vậy được gọi đồ th phư ng hướng chu n hóa. Nó cho phép so sánh đồ th phư ng hướng của anten khác nhau. Trong không gian, đồ th phư ng hướng của anten có dạng hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc ) và mặt phẳng đứng (góc ). 1.5.7. Tính phân cực của anten Trong trường hợp t ng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector ⃗ ⃗ có biên độ và pha biến đ i. Theo quy ước, sự ph n cực của sóng được đánh giá và xem xét theo sự biến đ i của vector điện trường. Cụ th là, hình chiếu của đi m đầu m t đi m cực đại của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phư ng truyền lan của sóng sẽ xác đ nh dạng ph n cực của sóng. 10 Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì ph n cực là elip; nếu hình chiếu là hình tr n thì ph n cực là tr n và nếu là dạng đường thẳng thì là ph n cực thẳng. Trong trường hợp t ng quát thì dạng elip là dạng t ng quát c n ph n cực thẳng và tr n chỉ là trường hợp riêng của dạng elip. Hình 1.3. Các dạng ph n cực của anten Tùy vào ứng dụng mà người ta chọn dạng ph n cực. Ví dụ đ truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng anten ph n cực thẳng đứng bởi vì t n hao thành phần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé h n nhiều so với thành phần nằm ngang. Hoặc đ phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện l thường sử dụng anten ph n cực ngang bởi vì t n hao thành phần ngang của điện trường bé h n nhiều so với thành phần đứng. 1.5.8. 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 tr trong giới hạn cho phép. Giới hạn đó được quy đ nh là mức nửa công suất. Ngh a là các tần số lệch với tần số chu n của anten thì việc lệch chu n đó làm giảm công suất bức xạ không quá 50%. Các tần số trong dải tần của anten thường gọi là tần số công tác. Thường dải tần được ph n làm 4 nhóm [1] - nten dải tần hẹp anten tiêu chu n : tức là - nten dải tần tư ng đối rộng tức là - nten dải tần rộng 11 - nten dải tần rất rộng Trong đó: 1.5.9. Các hệ thống anten - Anten thông dụng: anten r u ô tô, anten tivi, anten vòng cho UHF, anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh, anten mạch dải trong các thiết b di động. - Trạm tiếp sóng viba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa. - Hệ thống thông tin vệ tinh - nten phục vụ nghiên cứu khoa học. Bảng 1.1. Dải tần 3 – 30Khz ng dụng của anten theo băng tần [1] Tên , k hiệu ng dụng Very low freq (VLF) Đạo hàng , đ nh v 30 – 300KHz Low Freq (LF) Pha vô tuyến cho mục đích đạo hàng 300 – 3000Khz Medium Freq(MF) Phát thanh M, hàng hải, trạm thông tin duyên hải, tìm kiếm 3 – 30 Mhz High Freq (HF) Điện thoại, điện báo, phát thành sóng ng n, hàng hải, hàng không. 30 – 300Mhz Very High Freq (VHF) TV, Phát thành FM, điều khi n giao thông, cánh sát, taxi, đạo hàng 300 – 3000MHz Ultra High Freq(UHF) Tivi, thông tin vệ tinh, do thám, radar 3 – 30GHz Super High Freq(SHF) Hàng không, vi ba, thông tin di động, vệ tinh 30 – 300GHz Extremly High Freq (EHF) Radar, nghiên cứu khoa học 12 1.6. Kết luận chƣơng Chư ng 1 đã trình bày một cách t ng quát về anten, cho ta hi u về khái niệm anten là gì, các công thức tính toán và các công thức c bản liên quan về anten như trở kháng vào, hiệu suất, hệ số đ nh hướng, đồ th phư ng hướng, công suất bức xạ đẳng hướng tư ng đư ng, tính ph n cực, dải tần của anten và ứng dụng của anten vào đời sống. Các thông số về anten đều dựa trên c sở là các phư ng trình c bản Maxwell. Dựa vào các thông số c bản của anten, ta có th so sánh đánh giá hiệu suất của các loại anten khác nhau. Tuy chưa hoàn toàn đầy đủ nhất về anten nhưng nội dung của chư ng 1 cũng đã cung cấp các tiền đề c bản cho chư ng 2 đ đi s u vào nghiên cứu về anten vi dải.