1 1 Anten và truyền sóng ThS. Phạm Minh Nam 2 Tài liệu tham khảo  Lê Tiến Thường-Trần Văn Sư ,Truyền sóng và Anten, NXB ðại học Quốc Gia TPHCM –2010  Constantine A.Balanis, Antenna theory analysis and design, John Wiley & Son.Inc.,1997.  David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Son.Inc, 1998 2 3 Chương trình môn học  Phần 1  Chương 1: Lịch sử phát triển anten  Chương 2: Mô tả các ñặc tính bức xạ của anten  Chương 3: Lí thuyết anten  Chương 4: Hệ thống bức xạ  Chương 5: Các loại anten  Phần 2  Chương 1: Truyền sóng vô tuyến  Chương 2: Truyền sóng ñường dây dẫn  Chương 3: Truyền sóng ống dẫn sóng  Chương 4: Truyền sóng qua cáp quang 4 ðánh giá  Tiểu luận  Hình thức làm ngoài giờ  Thời gian 3 tuần  Thi giữa kỳ  Hình thức thi tự luận  Thời gian thi 60 phút  Thi cuối kỳ  Hình thức thi tự luận  Thời gian thi 60 phút 3 5 Chương 1 Lịch sử phát triển Anten ThS. Phạm Minh Nam 6 Lịch sử phát triển Anten  Anten là hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng trường ñiện từ.  Anten có thể ñược xem như thiết bị dùng ñể truyền năng lượng trường ñiện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào như cáp ñồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang…  Anten ñược ưa chuộng trong việc chuyển tải các trường ñiện từ ở tần số cao. 4 7 Lịch sử phát triển Anten  Các sóng trường ñiện từ chi phối hoạt ñộng của Anten ñược diễn tả bởi hệ phương trình Maxwell (1876).  Hệ phương trình Maxwell ñã thống nhất các ñịnh luật trước ñó như Ampere, Faraday…  1886: Heinrich Hertz kiểm chứng ñược sự tồn tại sóng ñiện từ.  1897: Alexander Popov phát triển tuyến Anten thật ñầu tiên có khả năng truyền xa 3 dặm. 8 Lịch sử phát triển Anten  1901: Guglielmo Marconi ñã hiện thực ñược thông tin vô tuyến xuyên ðại Tây Dương.  1916: Lần ñầu tiên sử dụng ñiều biên ñể truyền tín hiệu tiếng nói.  1934: Tạo ra hệ thống vô tuyến thương mại ñầu tiên giữa Anh và Pháp hoạt ñộng ở 1.8G  1940-1945: Phát triển Anten dùng trong radar, Anten phản xạ, Anten thấu kính, Anten dãy…  Hiện nay Anten ñược sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như GPS, WLAN… 5 9 Chương 2 Các đặc tính của Anten ThS. Phạm Minh Nam 10 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Trở kháng vào của Anten  Xem Anten như mạng một cửa Trở kháng vào: Z A = R A + jX A Thông thường R A gồm 2 thành phần + R r là ñiện trở bức xạ + R L là ñiện trở tiêu hao của Anten 6 11 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Trở kháng vào của Anten  Gọi P A là công suất hấp thụ tại ñầu vào Anten. V A và I A là ñiện áp và dòng ñiện tại ñầu vào Anten. { } * Re 2 1 AAA IVP = SA A SA ZZ Z VV + = SA S A ZZ V I + = 2 2 2 As AS A ZZ RV P + = 12 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Trở kháng vào của Anten Nếu không thoả Z A * = Z S thì chỉ có một phần công suất của nguồn ñến ñược anten: 2 2 Ag gA ||1 |ZZ| RR4 q Γ−= + = q ñược gọi là hệ số ghép công suất S S A R V P 8 2 = SA qP P = Nếu có phối hợp trở kháng liên hợp Z A * = Z S 7 13 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Trở kháng vào Anten Các phương trình trên cho phép ñánh giá công suất P A (công suất hấp thụ bởi Anten) với P S trong ñó quan tâm ñến hệ số q là hệ số ghép công suất giữa máy phát và tải . Khi Z S là thuần trở (X S = 0) 2 -1q Γ= SA SA ZZ ZZ + − =Γ SA qP P = 14 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Hiệu suất Anten  Gọi P A là tổng công suất do nguồn cung cấp ñến Anten, P r là công suất bức xạ, P L là công suất tiêu hao do toả nhiệt (P A = P r + P L ).  Hiệu suất bức xạ của Anten là tỉ số giữa công suất bức xạ và công suất nhận ñược tại ngõ vào Anten Lr r A r PP P P P e + ==  Sự khác nhau giữa P A và P r là do công suất tiêu hao P L . 8 15 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Hiệu suất Anten Điện trở bức xạ R r thể hiện phần công suất có ích được bức xạ bởi anten. Đây là điện trở tương đương tiêu thụ lượng công suất bằng công suất bức xạ P r . Điện trở tiêu hao R L thể hiện phần công suất tiêu tán bởi anten dưới dạng nhiệt do vật liệu làm nên anten. Nếu anten không tiêu tán thì R L = 0. Hiệu suất anten thể hiện phần công suất bức xạ trên R r so với công suất trên toàn R A . Lr r A r RR R P P e + == 16 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Trường điện từ bức xạ tạo bởi Anten  Xét trường bức xạ trong hệ toạ độ cầu 9 17 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Trường điện từ bức xạ vùng xa tạo bởi Anten  Trường ñiện ở vùng xa Anten có thể biểu diễn  Trong ñó là ñộ thẩm từ và ñiện trong KGTD r là khoảng cách từ Anten ñến ñiểm khảo sát D là ñường kính hình cầu ngoại tiếp Anten  ðiều kiện vùng xa: r>>D, r>>λ, r>> ( ) ϕϕθθ − ϕθ+ϕθ= i),(Fi),(F r e )r(E jkr rr r r λ π 2 D λπ=µεω= /2k 00 0,0 ε µ 18 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Trường điện từ bức xạ tạo bởi Anten  Nhận xét:  Trường ñiện lan truyền xa dần Anten theo hướng  Trường ñiện suy hao theo 1/r vì sự mở rộng hình cầu của sóng (hình cầu khảo sát)  Trường ñiện chỉ có các thành phần vuông góc với chiều truyền sóng và  Cường ñộ của trường theo và phụ thuộc vào hướng bức xạ và ñược xác ñịnh bởi các hàm tương ứng là và ),(F ϕ θ θ ),(F ϕ θ ϕ θ i r ϕ i r θ i r ϕ i r r i r 10 19 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Trường điện từ bức xạ tạo bởi Anten  Trường từ ở vùng xa Anten có thể biểu diễn  là trở sóng của môi trường. Trong không khí  ðiều kiện vùng xa: r>>D, r>>λ, r>> ( ) ϕϕθθ ϕθϕθ η iFiF r e rH jkr rr r r ),(),( 1 )( += − λ π 2 D π ε µ ηη 120 0 0 0 === { } )( 1 )( rExirH r r r r r η = η 20 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Trường điện từ bức xạ tạo bởi Anten  Nhận xét:  Trường từ của Anten không có thành phần dọc theo  Giống như sóng phẳng, cả trường ñiện và trường từ ở vùng xa Anten ñều vuông góc với phương truyền sóng và vuông góc với nhau r i r [...]... anten phát Độ lợi đònh hướng anten phát hiệu suất anten phát Hệ số phản xạ anten phát 60 30 Các đ c tính c a Anten Tuy n Anten o o o o o Pr Gr Dr nr Γr = PRad Công suất anten thu Độ lợi công suất anten thu Độ lợi đònh hướng anten thu Hiệu suất anten thu Hệ số phản xạ anten thu 61 Các đ c tính c a Anten Tuy n Anten Giả sử anten phát đẳng hướng Mật độ dòng công suất tại điểm cách anten phát một khoảng R là:... ng đ b c x theo chi u b c x c c đ i và cư ng đ b c x theo chi u ngư c l i FBR = U(θ, ϕ)max U(θ, ϕ)chiều ngược lại 53 Các đ c tính c a Anten Các Anten thu Gi s m t Anten thu đư c kích thích b i sóng ph ng đ n có góc t i (θ , ϕ ) r đư c đ c tính b i trư ng đi n E và inc t i đ u vào Anten E r E inc (θ , ϕ ) T i IL RA RL XA Vc VL XL 54 27 Các đ c tính c a Anten Các Anten thu N u ph i h p liên h p ZA* =... các chi u và các phân c c đư c xem như di n tích hi u d ng t i đa, ký hi u Aem Aem = λ G 4π 58 29 Các đ c tính c a Anten Tuy n Anten Thường được sử dụng khi cần thiết kế một tuyến thông tin Thể hiện mối liên quan giữa công suất anten phát và anten thu đặt cách nhau một khoảng trong không gian 59 Các đ c tính c a Anten Tuy n Anten Pt Gt Dt et Γt = PRad Công suất anten phát Độ lợi công suất anten phát... đư c b c x b i Anten e) ði n tr Rr c a Anten f) ði n tr RL c a Anten g) ði n tr vào c a Anten h) T ng cơng su t đ u vào c a Anten 24 12 Các đ c tính c a Anten Ví d 1 Gi i a) Vector m t đ b c x r r W (ir ) = [ ] r 2 r 1 1 2 Fθ (θ , ϕ ) + Fϕ (θ , ϕ ) ir = sin 2 θ ir 2η r 2 2η r 2 V i KGTD: η = 120π => r r W (ir ) = r 1 sin 2 θ ir 240π r 2 25 Các đ c tính c a Anten Ví d 1 b) M t đ b c x Anten r r W (ir... ϕ ) là vector phân c c c a Anten thu theo chi u đ n c a sóng tác đ ng 57 Các đ c tính c a Anten Các Anten thu Di n tích hi u d ng c a Anten đ i v i m t chi u cho trư c thì t l v i: • ð l i c a b thu theo chi u đ n c a m t ph ng t i (Khi m t Anten phát khơng hi u qu theo chi u cho trư c thì nó cũng là b thu khơng hi u qu đ i v i sóng tác đ ng lên Anten t hư ng đó) • Khi m t Anten khơng th b c x m t phân... et er 2 ( 4π R ) Vậy tỉ lệ công suất thu và công suất phát là: Pr λ2 D t (θt , ϕt )D r (θ r , ϕ r ) = et er Pt (4πR )2 63 Các đ c tính c a Anten Tuy n Anten Nếu các anten được phối hợp trở kháng, hướng vào nhau và phân cực phù hợp thì D = Gmax = G0: 2 Pr  λ  = et e r   G ot G or Pt  4πR  Nếu các anten được phối hợp trở kháng, không tổn hao, hướng vào nhau và phân cực phù hợp thì: 2 Pr  λ  =... tính c a Anten Ví d 1 g) ði n tr RA c a Anten R A = Rr + RL = 4 [Ω ] 45 h) Cơng su t t i ngõ vào c a Anten e = Pr PA PA = Pr + PL = 4 [Ω] 90 29 Các đ c tính c a Anten S phân c c Là hình nh đ l i b i đ u mút c a vetor trư ng khi đư c quan sát d c theo chi u truy n sóng Ví dụ: theo hướng đang quan sát trên hình vẽ là phân cực tuyến tính 30 15 Các đ c tính c a Anten S phân c c Phân c c c a m t Anten có... đ c tính c a Anten Các Anten thu Di n tích hi u d ng c a Anten Cơng su t Pc b ng m t đ cơng su t S c a sóng t i nhân cho di n tích hi u d ng Ae ˆ Pc = Ae (θ , ϕ , pinc ) x S inc Sinc là m t đ cơng su t trung bình trong m t ph ng t i r 2 E inc inc S = 2.η ˆ pinc là vector phân c c liên quan đ n sóng t i ˆ pinc r E = r E 56 28 Các đ c tính c a Anten Các Anten thu Di n tích hi u d ng c a Anten ˆ Ae (θ... θ right + θ left 45 Các đ c tính c a Anten Góc n a cơng su t và góc b c x khơng đ u tiên Ví d 46 23 Các đ c tính c a Anten Góc kh i c a Anten Góc kh i c a Anten (ABSA) là góc kh i c a chùm tia chính c a m t Anten gi thuy t v i đi u ki n là b c x cùng cơng su t v i Anten đang kh o sát nhưng v i m t cư ng đ b c x là h ng s b ng v i cư ng đ b c x c c đ i Umax c a Anten đang kh o sát 2π ΩA = π 0 0 ∫ ∫U... => Cư ng đ b c x khơng ph thu c vào r Cơng su t b c x Prad r r uur = ∫∫ W (r ) dS S 22 11 Các đ c tính c a Anten Cư ng đ , cơng su t trư ng đi n t Cơng su t b c x Prad r r uur = ∫∫ W (r ) dS S Prad = ∫∫U (θ , ϕ )dΩ S dΩ = sin θ dθ dϕ 23 Các đ c tính c a Anten Ví d 1 M t Anten b c x m t trư ng đư c cho b i Fθ (θ , ϕ ) = sin θ , gi s hi u su t Anten là 25%, dòng ngõ vào Anten là 1A a) Vector m t đ b c . đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a Anten Trở kháng vào của Anten  Gọi P A là công suất hấp thụ tại ñầu vào Anten. V A và I A là ñiện áp và dòng ñiện tại ñầu vào Anten. { } * Re 2 1 AAA IVP. 1 1 Anten và truyền sóng ThS. Phạm Minh Nam 2 Tài liệu tham khảo  Lê Tiến Thường-Trần Văn Sư ,Truyền sóng và Anten, NXB ðại học Quốc Gia TPHCM –2010  Constantine A.Balanis, Antenna theory. Anten e) ðiện trở R r của Anten f) ðiện trở R L của Anten g) ðiện trở vào của Anten h) Tổng công suất ñầu vào của Anten θϕθ θ sin),( =F 13 25 C C á á c đ c đ ặ ặ c t c t í í nh c nh c ủ ủ a Anten a