Bài giảng Anten và truyền sóng

ề1 Lecturer: M.Eng. P.T.A. Quang Tài liệu tham khảo 2 [1] - Lê Tiến Thường-Trần Văn Sư ,Truyền sóng và Anten, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM –2010 [2] Constantine A.Balanis, Antenna theory analysis and design, John Wiley & Son.Inc.,1997. [3] David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Son.Inc, 1998 Chương trình môn học 3  Phần 1  Chương 1: Lịch sử phát triển anten  Chương 2: Mô tả các đặc 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 đường dây dẫn  Chương 3: Truyền sóng ống dẫn sóng  Chương 4: Truyền sóng qua cáp quang Đánh giá 4  Tiểu luận  Thi giữa kỳ  Hình thức thi tự luận  Thời gian thi 60 phút  Thi cuối kỳ  Hình thức thi tự luận  Thời gian thi 90 phút(45 tiết), 60 phút(30 phút) ươ ị ử ể 5 ị ử ể 6  Anten là hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng trường điện từ.  Anten có thể được xem như thiết bị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào như cáp đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang  Anten được ưa chuộng trong việc chuyển tải các trường điện từ ở tần số cao. ị ử ể 7  Các sóng trường điện từ chi phối hoạt động của Anten được diễn tả bởi hệ phương trình Maxwell (1876).  Hệ phương trình Maxwell đã thống nhất các định luật trước đó như Ampere, Faraday  1886: Heinrich Hertz kiểm chứng được sự tồn tại sóng điện từ.  1897: Alexander Popov phát triển tuyến Anten thật đầu tiên có khả năng truyền xa 3 dặm. ị ử ể 8  1901: Guglielmo Marconi đã hiện thực được thông tin vô tuyến xuyên Đại Tây Dương.  1916: Lần đầu tiên sử dụng điều biên để truyền tín hiệu tiếng nói.  1934: Tạo ra hệ thống vô tuyến thương mại đầu tiên giữa Anh và Pháp hoạt động ở 1.8G  1940-1945: Phát triển Anten dùng trong radar, Anten phản xạ, Anten thấu kính, Anten dãy  Hiện nay Anten được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như GPS, WLAN 9 ươ ặ ủ ở ủ ệ ấ ủ ườ ệ ừ ượ ạ ở ấ ườ ệ ừ ự ự ồ ị ứ ạ ộ ộ ử ấ ộ ộ ị ầ ố ủ ộ ợ ướ ệ ố ị ướ ộ ợ ứ ứ ạ ụ ủ ế ươ ặ ủ ở ủ 10  Xem Anten như mạng một cửa Trở kháng vào: ZA = RA + jXA Thông thường RA gồm 2 thành phần + Rr là điện trở bức xạ + RL là điện trở tiêu hao của Anten ươ ặ ủ ở ủ 11  Gọi PA là công suất hấp thụ tại đầu vào Anten. VA và IA là điện áp và dòng điện tại đầu 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   ươ ặ ủ ở ủ 12 2|| 4 Ag gA ZZ RR q   Nếu không thoả ZA * = ZS thì chỉ có một phần công suất của nguồn đến được anten: q được gọi là hệ số ghép công suất SA qP P  Nếu có phối hợp trở kháng liên hợp ZA * = ZS S S A R V P 8 2  ươ ặ ủ ở 13 SA qP P  Các phương trình trên cho phép đánh giá công suất PA (công suất hấp thụ bởi Anten) với PS trong đó quan tâm đến hệ số q là hệ số ghép công suất giữa máy phát và tải . Khi ZS là thuần trở (XS = 0) 2 -1q  SA SA ZZ ZZ    ươ ặ ủ ệ ấ  Gọi PA là tổng công suất do nguồn cung cấp đến Anten, Pr là công suất bức xạ, PL là công suất tiêu hao do toả nhiệt (PA = Pr + PL).  Hiệu suất bức xạ của Anten là tỉ số giữa công suất bức xạ và công suất nhận được tại ngõ vào Anten 14 Lr r A r PP P P P e    Sự khác nhau giữa PA và Pr là do công suất tiêu hao PL. ươ ặ ủ ệ ấ 15 Lr r A r RR R P P e   Ps Pa Pr PL PГ ươ ặ ủ ườ ệ ừ ứ ạ ạ ở  Xét trường bức xạ trong hệ toạ độ cầu 16 ươ ặ ủ ườ ệ ừ ứ ạ ạ ở  Trường điện ở vùng xa Anten có thể biểu diễn  Trong đó là độ thẩm từ và điện trong KGTD r là khoảng cách từ Anten đến điểm khảo sát D là đường kính hình cầu ngoại tiếp Anten  Điều kiện vùng xa: r>>D, r>>, r>>     i),(Fi),(F r e )r(E jkr   /2k 00 17   2D 0,0  ươ ặ ủ ườ ệ ừ ứ ạ ạ ở  Nhận xét:  Trường điện lan truyền xa dần Anten theo hướng  Trường điện suy hao theo 1/r vì sự mở rộng hình cầu của sóng (hình cầu khảo sát)  Trường điện chỉ có các thành phần vuông góc với chiều truyền sóng và  Cường độ của trường theo và phụ thuộc vào hướng bức xạ và được xác định bởi các hàm tương ứng là và ),(F  ),(F  18 i  i  i  i  ri ươ ặ ủ ườ ệ ừ ứ ạ ạ ở  Trường từ ở vùng xa Anten có thể biểu diễn  Điều kiện vùng xa: r>>D, r>>, r>>     120 0 0 0  19   2D  )(1)( rEirH r     là trở sóng của môi trường. Trong không khí     iFiF r e rH jkr  ),(),( 1 )(   ươ ặ ủ ườ ệ ừ ứ ạ ạ ở  Nhận xét:  Trường từ của Anten không có thành phần dọc theo  Giống như sóng phẳng, cả trường điện và trường từ ở vùng xa Anten đều vuông góc với phương truyền sóng và vuông góc với nhau 20 ri ươ ặ ủ ườ ộ ấ ườ ệ ừ  Phần thực của vector poynting là vector mật độ công suất của trường bức xạ [W/m2]   r * i),(F),(F r HERe)r(W             22 22 1 2 1 21 Nhận xét Công suất chảy theo chiều trục xa dần Anten Mật độ bức xạ suy giảm theo bình phương khoảng cách Vector poynting  )()( 2 1 )( * rHrErS   ươ ặ ủ ườ ộ ấ ườ ệ ừ  Góc khối 22 Góc tính theo radian )(rad r dl d  Góc khối tính theo steradian )( 2 sr r dS d   drdrdS  sin  ddd  sin Vì diện tích mặt cầu là 4r2 nên ta có góc khối 4 trên toàn mặt cầu kín ươ ặ ủ ườ ộ ấ ườ ệ ừ  Định nghĩa cường độ bức xạ [W/SteRadian]: cs bức xạ gửi trên một đơn vị góc khối theo hướng đó => Cường độ bức xạ không phụ thuộc vào r  Công suất bức xạ         222 2 1 ),(F),(F)r(Wr),(U  23  S R SdrWP  )( ươ ặ ủ ườ ộ ấ ườ ệ ừ  Công suất bức xạ 24   S rad dUP ),(   ddd ..sin  S R SdrWP  )( ươ ặ ủ ụ  Một Anten bức xạ một trường được cho bởi , giả sử hiệu suất Anten là 25%, dòng ngõ vào Anten là 1A. a) Vector mật độ bức xạ b) Mật độ bức xạ c) Cường độ bức xạ d) Tổng công suất được bức xạ bởi Anten e) Điện trở Rr của Anten f) Điện trở RL của Anten g) Điện trở vào của Anten h) Tổng công suất đầu vào của Anten 25  sin),( F ươ ặ ủ ụ  Giải a) Vector mật độ bức xạ Với KGTD: => 26   rrr i r iFF r iW  .sin .2 1 .),(),( .2 1 )( 2 2 22 2        120 rr i r iW  .sin .240 1 )( 2 2    ươ ặ ủ ụ b) Mật độ bức xạ Anten c) Cường độ bức xạ   2 2 sin .240 1 )( r iW r      22 sin 240 1 )(),(  riWrU  27 ươ ặ ủ ụ d) Tổng công suất bức xạ bởi Anten   S rad dUP ),(        ddd .sin 240 2 ..sin 240 1 0 3 0 3 2 0   28   S S dddd     ..sin 240 1 ..sinsin 240 1 32 ][ 90 1 3 4 240 2 Wx    ươ ặ ủ ụ e) Điện trở Rr của Anten f) Điện trở RL của Anten 25.0   Lr r A r RR R P P e   1 1 1 0.25 . [ ] 45 15 LR     29 ][ 45 1.2 2  A r r I P R ươ ặ ủ ụ g) Điện trở RA của Anten h) Công suất tại ngõ vào của Anten 30 ][ 45 4  LrA RRR A r P P e  ươ ặ ủ ự ự  Là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vetor trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng 31 Ví duï: theo höôùng ñang quan saùt treân hình veõ laø phaân cöïc tuyeán tính ươ ặ ủ ự ự  Phân cực của một Anten có thể được phân loại:  Tuyến tính: vector trường có phương cố định  Tròn: vector trường vẽ thành 1 đường tròn  Elip: vector trường vẽ thành 1 elip  Phân cực Anten là một đặc tính phụ thuộc vào chiều.  Đối với phân cực tròn hay Elip còn phân biệt quay theo chiều kim đồng hồ (tay phải) hay ngược chiều kim đồng hồ (tay trái) 32 ươ ặ ủ ự ự  Sự phân cực của anten được đặc trưng bằng vector phân cực 33 ươ ặ ủ ự ự ụ  Ví dụ: Trường điện từ ở vùng xa được bức xạ bởi anten như sau: Xác định sự phân cực của Anten dọc theo a) +x b) +y    iji r e rE jkr  .sin..cos.sin)(   34 ươ ặ ủ ự ự ụ  Giải: a) +x:  yz jkx iji x e rE  .)(   35 0, 2     xriiii yz  ,,   ươ ặ ủ ự ự ụ Nếu biểu diễn theo thời gian 36 )(rE  ).( )2/cos( ).( )cos( ),( yz i x kxt i x kxt trE       ươ ặ ủ ự ự ụ 37 ).( )2/cos( ).( )cos( ),( yz i x kxt i x kxt trE       Các thành phần trường theo z, y bằng nhau và lệch pha nhau 900 => Dấu vết của đỉnh vector trường tổng hợp là hằng số theo thời gian => Trường được phân cực tròn. Nếu nhìn theo chiều truyền sóng thì sóng được phân cực tròn tay trái ươ ặ ủ ự ự ụ b) +y: x jky i y e jrE  ..)(   38 2 , 2      yriiii xz  ,,   Trường điện theo thời gian cho bởi:   xtj i y kyt erEtrE  . )2/cos( ).(Re),(   ươ ặ ủ ự ự ụ b) +y: 39 xi y kyt trE  . )2/cos( ),(    Chỉ có thành phần trường điện theo phương x => Trường được phân cực tuyến tính dọc theo trục x. ươ ặ ủ ồ ị ứ ạ  Đồ thị bức xạ của một Anten là một sự biểu diễn bằng đồ thị các tính chất bức xạ của một Anten.  Đồ thị bức xạ có thể bao gồm các thông tin về phân bố năng lượng, pha, sự phân cực trong các trường bức xạ.  Thông thường quan tâm nhất là vẽ phân bố năng lượng tương đối trên hình cầu bao quanh Anten và sẽ được tham khảo như đồ thị công suất. ),( U 40 ươ ặ ủ ồ ị ứ ạ  Người ta thường dùng mặt cắt thay cho hình khối không gian để biểu diển đồ thị bức xạ 41 ươ ặ ủ ồ ị ứ ạ  Khi vẽ đồ thị bức xạ, thường so sánh chất lượng Anten theo các chiều khác nhau, do đó người ta thường chuẩn hoá giá trị tối đa của hàm được vẽ là đơn vị. Đồ thị bức xạ bây giờ thành đồ thị chuẩn hoá.  Cường độ bức xạ chuẩn hoá và hàm độ lớn của trường như sau max ),( ),( U U Un    max ),( ),( F F Fn    42   20,0),,(maxmax  UU   20,0),,(maxmax  FF ươ ặ ủ ồ ị ứ ạ  So sánh đồ thị bức xạ với các đáp ứng tần số khác nhau 43 ươ ặ ủ ồ ị ứ ạ  Búp sóng chính (Majorlope) xác định hướng bức xạ cực đại của Anten  Búp sóng phụ là các búp sóng còn lại 44 ươ ặ ủ ữ ấ ứ ạ ầ  Góc nữa công suất (Half Power Beam Width - độ rộng nữa công suất) và góc bức xạ không đầu tiên (Beam Width between First Nulls - độ rộng giữa các giá trị không đầu tiên) là đặc tính bức xạ của Anten đặc trưng cho diện tích mặt cắt hai chiều của một chùm tia Anten chính trong mặt phẳng cho trước. 45 ươ ặ ủ ữ ấ  HPBW là số đo của góc bao quanh hướng bức xạ cực đại với cường độ bức xạ chuẩn hoá lớn hơn ½ trong mặt phẳng đó.  và chính là số đo góc từ chiều giá trị cực đại của bức xạ chính đến giới hạn trái và phải. 46 HP right HP left HP left HP rightHPBW   ươ ặ ủ ứ ạ ầ  BWFN là góc giữa các không đầu tiên của đồ thị kề búp sóng chính.  và chính là số đo góc không từ chiều giá trị cực đại của bức xạ chính (búp sóng chính) đến giới hạn trái và phải. 47 null right null left null left null rightBWFN   ươ ặ ủ ữ ấ ứ ạ ầ  Ví dụ 48 ươ ặ ủ ố ủ  Góc khối của Anten (ABSA) là góc khối của chùm tia chính của một Anten giả thuyết với điều kiện là bức xạ cùng công suất với Anten đang khảo sát nhưng với một cường độ bức xạ là hằng số bằng với cường độ bức xạ cực đại Umax của Anten đang khảo sát       2 0 0 4max , sin , , A U d d F d U                    49 ươ ặ ủ ộ ợ ướ ệ ố ị ướ  Hệ số định hướng      4 a d),(U 4 1 U 50  Hệ số hướng tính là tiêu chuẩn chất lượng để đo các tính chất định hướng của Anten khi so sánh với các Anten vô hướng. ),( D       0 2 0 ..sin),( ),(.4),(),( ),( ddU U U U W W D aa  Cường độ bức xạ trung bình ươ ặ ủ ộ ợ ướ ệ ố ị ướ  Hệ số định hướng D: A max ),(DD    4  2sin5),( U 51        2 0 3 2 0 2 2 0 2 sin 2 3 .sin2.5 sin.5.4 ..sin.sin5 sin.5.4 ),(   ddd D ),( D  Độ lợi hướng tính  Ví dụ: Một cường độ bức xạ Anten cho bởi  Độ lợi định hướng D là cực đại của ươ ặ ủ ộ ợ  Độ lợi Anten được định nghĩa  Độ lợi công suất (là độ lớn cực đại của độ lợi Anten) ),(eD P ),(U4 ),(G A    A max max P ),(U4 ),(GG   52 Cường độ công suất Công suất hấp thụ của anten Hiệu suất của anten Độ lợi hướng tính ươ ặ ủ ộ ợ  Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP* là tổng công suất mà nó được bức xạ bởi Anten vô hướng, cường độ bức xạ bằng cường độ bức xạ cực đại của Anten đang khảo sát. 53 ][),(4 max WDPeDPGPUEIRP radAA   *EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power) ươ ặ ủ ứ ứ ạ ụ ỉ ố ướ  Mức bức xạ phụ SSL (Side Lobe Level) là tỉ số của cường độ bức xạ theo chiều bức xạ phụ lớn nhất (thường là bức xạ phụ đầu tiên sát bức xạ chính) với cường độ bức xạ cực đại max SLL ),(U ),(U SLL    laïingöôïcchieàu max ),(U ),(U FBR    54  FBR (Front to Back Ratio) là tỉ số của cường độ bức xạ theo chiều bức xạ cực đại và cường độ bức xạ theo chiều ngược lại. ươ ặ ủ  Giả sử một Anten thu được kích thích bởi sóng phẳng đến có góc tới và được đặc tính bởi trường điện E tại đầu vào Anten ),(  incE  55 incE  ),(  Tải RA XA RL XL Vc VL IL ươ ặ ủ  Nếu phối hợp liên hợp ZA * = ZL: Pc là công suất khả dụng phía thu  Nếu không phối hợp liên hợp ZA * ≠ ZL: 56 2|| 4 AL LA ZZ RR q   A c c R V P 8 2  CL qP P  ươ ặ ủ  Diện tích hiệu dụng của Anten Công suất Pc bằng mật độ công suất S của sóng tới nhân cho diện tích hiệu dụng Ae.  Sinc là mật độ công suất trung bình trong mặt phẳng tới  là vector phân cực liên quan đến sóng tới inc incec SxpAP )ˆ,,(  incpˆ 57 .2 2 inc inc E S   E E pinc   ˆ ươ ặ ủ  Diện tích hiệu dụng của Anten  là vector phân cực của Anten thu theo chiều đến của sóng tác động 2 ˆ).,(ˆ).,( 4 )ˆ,,( incince ppGpA      58 ),(ˆ p ươ ặ ủ • Khi một Anten không thể bức xạ ở một phân cực nào đó theo chiều cho trước thì nó cũng không thể nhận phân cực từ chiều đó. GAem   4  59 • Độ lợi của bộ thu theo chiều đến của mặt phẳng tới (Khi một Anten phát không hiệu quả theo chiều cho trước thì nó cũng là bộ thu không hiệu quả đối với sóng tác động lên Anten từ hướng đó) • Giá trị cực đại của Ae trên tất cả các chiều và các phân cực được xem như diện tích hiệu dụng tối đa, ký hiệu Aem • Ae có thức nguyên m 2  Diện tích hiệu dụng của Anten đối với một chiều cho trước thì tỉ lệ với: ươ ặ ủ ế  P t = P Rad Công suất anten phát  G t Độ lợi công suất anten phát  D t Độ lợi định hướng anten phát  e t hiệu suất anten phát  Γ t hệ số phản xạ anten phát 60 ươ ặ ủ ế o P r = P Rad công suất anten thu o G r độ lợi công suất anten thu o D r độ lợi định hướng anten thu o e r hiệu suất anten thu o Γ r hệ số phản xạ anten thu 61 ặ ủ Tổng quát 62 ươ ặ ủ ế  Giả sử anten phát đẳng hướng. mật độ công suất điểm cách anten phát một khoảng R là:  Trong trường hợp anten phát không đẳng hướng e t Là hiệu suất anten phát 20 4 R P eW t t   22 44 R ),(DP e R ),(GP W tttt t tttt t       63 P t = P Rad ươ ặ ủ ế  Gọi A r là diện tích hiệu dụng của anten thu, ta có: 64  2 2 4 R ),(D),(D ee P P rrrttt rt t r    (Công thức FRIIS) Tỉ lệ công suất thu và công suất phát là Công suất thu được tại anten thu là ươ ặ ủ ế  Nếu các anten phối hợp trở kháng, hướng vào nhau, và phân cực phối hợp thì D = G max = G 0 : orotrt t r GG R ee P P 2 4          2 4 r t r t P GG P R          65 Nếu các anten phối hợp trở kháng, không tổn hao, hướng vào nhau, và phân cực phối hợp thì