Download miễn phí Giáo trình Kỹ thuật anten
Chương 1
Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten

Toàn bộ các bài toán xác định các chỉ tiêu kỹ thuật (các tham số và đặc trưng) của anten có thể được chia thành 2 nhóm:
Nhóm 1: Gồm các bài toán tính trường trong vùng gần, việc giải bài toán này cho phép xác định các chỉ tiêu kỹ thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi của anten như: trở vào, hiệu suất, dải tần công tác, công suất cực đại cho phép.
Nhóm 2: Gồm các bài toán tính trường trong vùng xa. Việc giải bài toán này cho ta có thể xác định được các chỉ tiêu kỹ thuật đặc trưng cho tính định hướng của anten và trường của anten trong vùng xa như: đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực, hệ số tác dụng định hướng, công suất bức xạ.
Ta có thể hiểu vùng xa của một anten là vùng không gian bao gồm các điểm cách đủ xa anten sao cho tại đó chỉ tồn tại sóng tự do bức xạ từ anten ra phía vô cực. Tại vùng này không tồn tại năng lượng vô công liên kết với anten, phần năng lượng này chỉ định vị, định xứ trong vùng gần anten.
Giả sử anten có kích thước là L, khi đó một điểm cách anten một khoảng r được xem là thuộc vùng xa thì phải thoả m•n các điều kiện:

ở đây:
r - khoảng cách đến điểm quan sát;
? - bước sóng.
Tất cả các chỉ tiêu kỹ thuật của anten có thể chia thành 2 nhóm phù hợp với 2 nhiệm vụ cơ bản của anten:
- Biến đổi sóng điện từ liên kết thành sóng điện từ tự do phát xạ vào không gian (và ngược lại).
- Phát xạ có hướng (hay thu có hướng) sóng điện từ.
Dưới đây ta lần lượt xét các đặc trưng và tham số của anten.
1.1. đặc trưng hướng của anten

Từ lý thuyết trường ta đ• biết: biên độ phức của cường độ trường của một nguồn phát xạ sóng điện từ tại một điểm tuỳ ý trong vùng xa có thể viết dưới dạng sau:
(1.1)
Trong đó:
r, ?, ? là các toạ độ của điểm quan sát trong hệ toạ độ cầu (hình 1-1);
là số sóng;
IA là biên độ dòng tại một điểm nào đó trên anten;
là một hàm phức phụ thuộc vào cấu trúc của anten;
là pha của trường.
Định nghĩa:
Hàm , tức môdun của hàm xác định sự phụ thuộc của biên độ cường độ trường của anten tại các điểm nằm trong vùng xa và cách đều anten vào hướng quan sát được gọi là đặc trưng hướng của anten.


Hình 1-1:
Biểu diễn hình học của đặc trưng hướng trong không gian là một mặt cong kín do đầu nút của bán kính véctơ trong hệ toạ độ cầu vẽ nên. Bán kính véc tơ có mô đun tỷ lệ với biên độ cường độ trường. Trong thực tế thường gặp các đặc trưng hướng có dạng đặc biệt như:
- Đặc trưng hướng có dạng hình xuyến (H1 - 2a)
- Đặc trưng hướng có dạng hình kim (H1 - 2b)
- Đặc trưng hướng có dạng quạt (H1 - 2c)
- Đặc trưng hướng có dạng cosecan (H1 - 2d)



Hình 1-2.
Một số dạng đặc trưng hướng


Trường hợp của anten phát sóng phân cực elip có thể biểu diễn dưới dạng tổng của 2 trường phân cực tuyến tính. Các véc tơ điện của 2 trường này vuông góc nhau và lệch pha nhau một góc ?. Do đó đối với các anten phân cực elip ta phải phân biệt đặc trưng hướng theo thành phần ? và theo thành phần ?:
f? (?,?) và f? (?, ?)
Để dễ dàng so sánh tính định hướng giữa các anten khác nhau, người ta đưa vào khái niệm đặc trưng hướng chuẩn hoá. Đó là tỷ số giữa giá trị của đặc trưng hướng f (?, ?) theo hướng bất kỳ với giá trị cực đại của nó.
(1.2)
Các phương pháp mô tả đặc trưng hướng:
Đặc trưng hướng không gian (biểu diễn không gian của hàm f (?, ?) không tiện cho việc mô tả tính định hướng của anten, vì thế người ta thường dùng phương pháp mô tả đặc trưng hướng trên mặt phẳng.
Ta gọi giao tuyến của đặc trưng hướng không gian với các mặt phẳng đi qua hướng phát xạ cực đại là đặc trưng hướng phẳng (hay giản đồ hướng).
Từ nay khi nói đặc trưng hướng ta sẽ hiểu đó là đặc trưng hướng phẳng.
Người ta thường mô tả đặc trưng hướng trong 2 mặt phẳng vuông góc (H1-3).


Hình 1-3. Hình 1-4.
Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại và chứa véctơ gọi là mặt phẳng - E.
Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại và chứa véc tơ gọi là mặt phẳng - H.
Có thể vẽ đặc trưng hướng trong toạ độ cực hay toạ độ vuông góc. Đặc trưng hướng vẽ trong toạ độ cực cho ta thấy được tính định hướng của anten một các trực quan nhất, còn đặc trưng hướng trong toạ độ vuông góc có thể biểu diễn chính xác hơn.
Thông thường, đặc trưng hướng có một số cực đại, ta nói rằng đặc trưng hướng có nhiều cánh sóng (H1-4). Cánh có hướng phát xạ cực đại với cường độ lớn nhất gọi là cánh chính các cánh còn lại gọi là các cánh phụ (hay cánh bến). Nếu cánh phụ có cực đại ngược chiều với cực đại của cánh chính ta gọi là cánh sóng sau.
Ngoài đặc trưng hướng tính theo cường độ trường, người ta còn dùng đặc trưng hướng tính theo công suất Fp (?, ?).
Hàm Fp(?,?) mô tả sự phụ thuộc của mật độ dòng công suất tại các điểm cách đều anten vào hướng quan sát (H1-5a). Vì mật độ dòng công suất tỷ lệ với bình phương của cường độ trường nên.
Fp (?, ?) = F2 (?, ?) (1.3)
Người ta còn có thể biểu diễn đặc trưng hướng theo decibel (H1-5b). Với cách biểu diễn này mức của các cánh phụ nhỏ có thể được đánh giá trực quan dễ hơn.
Fdb(?, ?) = 10lgFp(?, ?) = 20lgF(?, ?) (1.4)
- Người ta gọi góc mở của cánh sóng chính theo mức nửa công suất (2?0,5) là góc giữa 2 phương ứng với giá trị Fp(?,?) bằng 0,5 hay F = 0,707.
Hình 1-5.
- Từ hệ thức (1.4) ta có:
2?0,5 = 2?-3db (1.5)
- Anten có đặc trưng hướng hình xuyến là anten vô hướng (trong 1 mặt phẳng) thường được dùng trong vô tuyến truyền tin, phát thanh, v.v...
- Anten với đặc trưng hướng hình kim có tính định hướng gần như nhau trong 2 mặt phẳng chính (mặt phẳng - E và mặt phẳng - H). Các anten này thường được dùng trong các đài Radar để theo dõi mục tiêu trong cả 2 toạ độ góc. Ngoài ra chúng còn được dùng trong thông tin viba, vô tuyến thiên văn, v.v...
- Anten có đặc trưng hướng hình quạt có mức độ định hướng khác nhau trong 2 mặt phẳng chính và nó thường được dùng để xác định 1 toạ độ góc của mục tiêu trong kỹ thuật Radar.
1.2. Đặc trưng pha của anten
Đặc trưng pha của anten là mặt hình học tạo bởi các điểm trong vùng xa mà tại đó véc tơ cường độ trường có cùng một giá trị pha.
Ta cho biểu thức pha của cường độ trường trong (1-1) bằng hằng số:
? (?, ?) - kr (?, ?) = const
Từ đây ta tìm ra được biểu thức của đặc trưng pha

Giá trị của const trong biểu thức này được xác định từ điều kiện:
r = r0 khi (?, ?) = (0, 0) do đó:
?(0,0) - kr0 = const
(1.6)
ở đây ta đ• ký hiệu
?(?,?) - ?(0,0) = ??(?,?)
Nếu biểu thức (1.6) biểu diễn một mặt cầu thì có thể xem anten như là một nguồn phát xạ điểm. Tâm của mặt cầu được gọi là tâm phát xạ hay tâm pha.
Trường hợp tổng quát đặc trưng pha không phải là mặt cầu và do đó anten không có tâm pha xác định. Có thể chứng minh được rằng các anten dây (chẳng hạn chấn tử) có tâm pha nằm ở chính giữa anten chỉ trong trường hợp nếu phân bố biên độ của dòng trên anten là hàm chẵn đối với điểm giữa và phân bố pha là không đổi hay là hàm lẻ so với điểm giữa của anten.
Trong trường hợp anten không có tâm pha, ta có thể tiệm cận từng phần của mặt đẳng pha bằng các mặt cầu. Như vậy đối với mỗi phần ta có 1 tâm pha. Tập hợp các tâm pha ứng với tất cả các khoảng có thể nằm trong một miền nào đó quanh chỗ đặt anten.
Người ta thường biểu diễn hàm đặc trưng pha trong các mặt phẳng chính (E & H).
Trong không gian, mỗi khi qua hướng phát xạ 0, pha của trường lại thay đổi đột ngột 1800. Vì thế đặc trưng pha phẳng của anten có nhiều cánh sóng có những chỗ nhẩy bậc (H1-6).
Hình 1-6.

1.3. Đặc trưng phân cực của anten

Trường của anten tại mỗi điểm trong vùng xa không chỉ được đặc trưng bởi biên độ và pha mà cả sự phân cực nữa, tức là hướng dao động của véctơ cường độ trường theo thời gian.
Mặt phẳng phân cực là mặt phẳng chứa phương truyền sóng và véc tơ cường độ điện trường. Sự phân cực của trường được xác định bởi loại anten và vị trí của nó trong không gian. Thí dụ trường của một anten dây thẳng là trường phân cực tuyến tính, tức là ở tại điểm quan sát véc tơ định hướng dọc theo một đường thẳng. Nói khác đi, đầu mút của véc tơ dao động trên một đường thẳng. Chấn tử đặt thẳng đứng trên mặt đất sẽ bức xạ sóng phân cực đứng (véc tơ nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt đất - mặt phẳng đứng); chấn tử ngang bức xạ sóng phân cực ngang.
Trong trường hợp tổng quát trường có đặc trưng phân cực elíp, có thể xem nó là tổng của 2 trường phân cực tuyến tính có các véc tơ điện và vuông góc nhau và lệch pha nhau một góc ? nào đó. Khi đó đầu mút của véc tơ tổng vẽ trong không gian một hình elíp sau một chu kỳ dao động. Xét tại một điểm trong không gian, elíp này nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền (H1-7). Dưới đây ta sẽ chứng minh điều đó. Giả sử cho trước giá trị tức thời của cường độ trường.
(1.7)
Từ biểu thức trên ta có:
(1.8)
Thay (1.8) vào (1.7) ta có
(1.9)
Chuyển thừa số trong (1.9) sang vế trái, sau đó bình phương cả 2 vế ta nhận được.
(1.10)
Biểu thức (1.10) là phương trình tổng quát của elíp. Tuỳ theo giá trị của ?, E?, E? dạng của elíp phân cực và vị trí của nó trong không gian có thể khác nhau. Chẳng hạn
- Khi ? = n? (n: là số nguyên) trường phân cực tuyến tính;
- Khi và E? = E? trường phân cực tròn.
Để đánh giá tính phân cực ta đưa ra khái niệm hệ số phân cực và đặc trưng phân cực.
Hệ số phân cực: tỷ số giữa bán trục nhỏ và bán trục lớn của elíp gọi là hệ số phân cực và ký hiệu là
Đặc trưng phân cực: Sự phụ thuộc của hệ số phân cực vào hướng tới điểm quan sát gọi là đặc trưng phân cực của anten.
p = p (?,?)


Hình 1-7. elíp phân cực trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng


Ta có thể tính được hệ số phân cực
Từ hình hình1-7 ta suy ra rằng

ở đây ? là góc nghiêng của bán trục lớn với trục e? phương trình elíp có dạng.

Nếu đặt biểu thức x và y vào biểu thức trên, sau đó tiếp tục biến đổi ta sẽ nhận được công thức tính hệ số phân cực.
(1.11)
ở đây
Từ đây ta thấy khi trường phân cực tuyến tính (? = n?) thì p = 0. Khi trường phân cực tròn thì p = 1. Trong trường hợp tổng quát 0 < p < 1 trường phân cực elíp.

1.4. Công suất phát xạ và hệ số tác dụng định hướng

Để đánh giá giá định lượng tổng hợp tính chất định hướng của anten, người ta đưa ra tham số gọi là hệ số tác dụng định hướng của anten.
Hệ số tác dụng định hướng (ký hiệu là D) chỉ rõ phải tăng công suất phát xạ của anten lên bao nhiều khi thay anten định hướng đó bằng một anten vô hướng (giả định) sao cho vẫn giữ được giá trị cường độ trường tại điểm thu không đổi (H1.8)
(1.12)
Cũng có thể gọi hệ số tác dụng định hướng là độ tăng ích về công suất phát xạ do tính định hướng của anten.


Bây giờ chúng ta tìm các hệ thức liên quan với đặc trưng hướng.
Theo (1.1) biên độ cường độ trường của anten định hướng trong vùng xa được xác định bằng biểu thức tổng quát:
(1.13)
Mật độ dòng công suất (giá trị biên độ của véctơ poynting) theo hướng đó
(1.14)
Công suất phát xạ của anten định hướng trong toàn không gian

Trong hệ toạ độ cầu , chú ý đến (1.13) và (1.14) ta có
(1.15)
Đối với anten vô hướng

Với điều kiện Edh = Evh (trong định nghĩa (1-12))
Thì:
(1.16)
Thay (1.15) và (1.16) vào (1.12) ta có:
(1.17)
Chia tử và mẫu số của vế phải cho ta có:
(1.18)
Biểu thức (1.18) chỉ ra sư liên hệ giữa hệ số tác dụng định hướng và đặc trưng hướng.
Từ hệ thức này ta có nhận xét: hệ số tác dụng định hướng chỉ phụ thuộc vào đặc trưng hướng của anten và giá trị có giá trị cực đại theo hướng phát xạ cực đại (Fmax (?, ?) = 1)
(1.19)
Hệ số tác dụng định hướng của anten theo hướng bất kỳ có thể xác định theo công thức:
D(?, ?) = Dmax.F2 (?, ?) (1.20)
Trong một số trường hợp người ta còn định nghĩa: hệ số tác dụng định hướng là tỉ số của bình phương cường độ trường do anten định hướng tạo ra tại điểm quan sát trong vùng xa với bình phương cường độ trường do anten vô hướng tạo ra cũng tại điểm đó, nếu công suất phát xạ của 2 anten như nhau. Như vậy:
(1.21)
Định nghĩa này hoàn toàn tương đương với định nghĩa (1.12) ở trên.
Nếu đặc trưng hướng của anten có tính đối xứng trục-tức là không phụ thuộc ?. Khi đó, từ (1.15) ta có;
(1.22)
Có thể xác định Dmaxơơ theo công thức gần đúng sau:
(1.23)
ở đây là độ rộng cánh sóng tính theo mức nửa công suất, tính bằng độ, trong 2 mặt phẳng chính.
A = 35.000 ? 45.000 là hệ số phụ thuộc vào dạng của đặc trưng hướng.
Hiện nay người ta có thể chế tạo được các anten có tính định hướng rất cao Dmax cỡ 106 ? 107. Các chấn tử nguyên tố thường có D nhỏ, chẳng hạn lưỡng cực Hertz có F(?, ?) = sin? và Dmax = 1,5. Trong thực tế không có nguồn phát xạ nào hoàn toàn vô hướng với Dmax = 1
1.5. trở phát xạ của anten
Khi giải bài toán về sự phát xạ của các anten được làm từ các dây dẫn mảnh có dòng IA người ta thường đưa vào khái niệm trở phát xạ của anten.
Nếu xem anten phát là một tải phức
Z? = R? + j X?
Tiêu thụ công suất của máy phát và biến công suất này thành năng lượng phát xạ vào không gian, thì công suất phát xạ vào không gian bằng:
(1.24)
Trong đó R? được gọi là trở phát xạ của anten. So sánh (1.24) với (1.15) ta có:
(1.25)
Ví dụ: xác định trở phát xạ của một lưỡng cực hertz có chiều dài l.
Từ lý thuyết trường ta đ• biết biên độ cường độ trường của lưỡng cực hertz có thể được xác định theo biểu thức sau:
(1.26)
Vì vậy:
(1.27)
Thay (1.27) vào (1.25) ta có:
(1.28)
Từ đây ta có nhận xét: Anten dây chỉ phát xạ năng lượng đáng kể khi kích thước không quá nhỏ so với bước sóng.
Từ (1.28) ta thấy Rơơ? phụ thuộc vào vị trí thiết diện tính dòng IA. Người ta thường tính theo dòng tại điểm bụng Ib. Nếu biết qui luật phân bố dòng IA = I(z) trên anten thì có thể tính được trở phát xạ đối với dòng I(z) tại thiết diện bất kỳ theo trở phát xạ tại điểm bụng. Từ đẳng thức về công suất phát xạ.


Suy ra:
(1.29)
Giá trị R?(Z) được xác định bởi trường của anten trong vùng xa, bởi đặc trưng phân bố dòng hay điện áp trên anten, và phụ thuộc vào tỉ số kích thước của anten trên bước sóng ?.
So sánh (1.17) và (1.25) ta được:

Theo (1.20)
D(?,?) = Dmax.F2(?,?)
Từ 2 biểu thức trên suy ra

Nếu chú ý tới (1.24) ta có

(1.30)
Biểu thức này cho ta quan hệ giữa cường độ trường và công suất phát xạ của một anten khi biết Dmax và đặc trưng hướng của nó. (1.30) còn được gọi là công thức truyền sóng lý tưởng (sự truyền sóng trong không gian tự do) công thức trên chỉ ra rằng việc tăng hệ số tác dụng định hướng tương đương (cùng bậc) với việc tăng công suất phát xạ. Công thức này được dùng để tính cự ly truyền sóng theo giá trị E(?,?) cần có và các giá trị P?, Dmax, F(?,?) đ• biết của anten phát trong những điều kiện lý tưởng (không có nhiễu, năng lượng phát xạ không bị hấp thụ trên đường truyền sóng).

1.6. Hiệu suất và hệ số khuếch đại

Phần lớn công suất đưa vào anten được phát xạ ra không gian và tạo nên một phân bố cường độ trường xác định trong không gian thuộc vùng xa. Nhưng có một phần công suất bị tiêu hao (chủ yếu dưới dạng nhiệt năng) ngay trên anten và các vật thể bao quanh nó.
Mức độ sử dụng công suất đưa và anten được xác định bằng hiệu suất của anten.
Định nghĩa: hiệu suất ?A của anten là tỉ số giữa công suất do anten phát xạ P?, (công suất hữu ích) và công suất đưa vào PA ( gồm công suất phát xạ
P? và công suất tiêu hao Pth)
với PA = P? + Pth (1.31)
Đối với đa số các anten siêu cao tần ?A ? 0,9. Để đánh giá mức độ tăng ích công suất do tính định hướng và chú ý tới sự tiêu hao trên anten, người ta đưa ra khái niệm hệ số khuếch đại G của anten;
Định nghĩa: hệ số khuếch đại G là tỉ số giữa công suất phát xạ của anten vô hướng P?vh và công suất đưa vào anten định hướng PAdh, với điều kiện các anten cùng tạo ra một giá trị cường độ trường tại điểm quan sát.
(1.32)
(1.33)
Như vậy hệ số khuếch đại luôn luôn nhỏ hơn hệ số tác dụng định hướng. Chỉ trong trường hợp lý tưởng ?A = 1 thì G = D.
Ta có nhận xét: hệ số khuếch đại đặc trưng cho sự tăng ích về công suất một cách đầy đủ hơn so với hệ số tác dụng định hướng vì nó đánh giá được cả tính định hướng lẫn khả năng biến đổi năng lượng của anten (tức khả năng biến đổi năng lượng liên kết thành năng lượng phát xạ). Người ta thường quan tâm nhiều nhất tới hệ số khuếch đại theo phương phát xạ cực đại (Gmax), vì vậy từ nay ta hiểu G chính là giá trị Gmax.
1.7. Chiều dài hiệu dụng của anten

Trong thời kỳ đầu của sự phát triển kỹ thuật anten, người ta đưa vào khái niệm chiều dài hiệu dụng để đánh giá mức độ định hướng của các anten dây.
Chiều dài hiệu dụng của một anten dây là chiều dài của một lưỡng cực Hertz (có phân bố dòng đều), có dòng bằng dòng tại điểm bụng Ib của anten dây và cho cùng một giá trị cường độ trường theo hướng phát xạ cực đại tại điểm quan sát như anten dây.
Từ (1.26) ta có trường theo hướng phát xạ cực đại của lưỡng cực Hertz là;
(1.34)
Từ (1.30) ta có trường theo hướng phát xạ cực đại của anten dây là;
(1.35)
Từ hai biểu thức trên suy ra
(1.36)
ý nghĩa của việc đưa vào khái niệm là ta đ• thay anten thực với chiều dài có phân bố dòng không đều bằng một anten có chiều dài có phân bố dòng đều (H1-9).

Từ (1.34) ta thấy cường độ trường của lưỡng cực Hertz tỉ lệ với đại lượng

Ta gọi Si là diện tích dòng. Với anten có phân bố dòng không đều thì

Từ 2 biểu thức này, ta tính được theo phân bố dòng
(1.37)
Cần chú ý: khái niệm chỉ có ý nghĩa đối với các anten tương đối ngắn so với ?, khi mà hàm phân bố dòng Iz không đổi dấu trên suốt chiều dài .

1.8. trở vào của anten

Lối vào của anten là thiết diện mà tại đó kết thúc đường dây phiđe, ta đ• biết anten phát là tải của phiđe, nó được đặc trưng bởi công suất thuần, công suất kháng, công suất giới hạn và trở vào.
Trở vào của anten là tỉ số giữa điện áp và dòng tại lối vào của anten.
(1.38)
cần biết trở vào của anten để thực hiện sự phối hợp với phiđe. Từ lý thuyết đường dây ta đ• biết: Để phối hợp trở kháng giữa anten và phiđe có trở sóng ?f cần thoả m•n điều kiện.
Rv = ?f , Xv = 0
ý nghĩa của thành phần hoạt và thành phần kháng của trở vào:
Công suất anten tiêu thụ gồm công suất phát xạ và công suất tiêu hao. Tương tự như trở phát xạ, ta cũng đưa vào khái niệm trở tiêu hao Rth, trở này tiêu tán công suất tiêu hao. Do đó
và Rv = R?v + Rthv
vì nên
Như vậy thành phần hoạt của trở vào gồm trở phát xạ và trở tiêu hao tính ở lối vào của anten. Nếu anten có hiệu suất cao thì Rv ? R?v
Theo quan điểm xét chế độ hoạt động của phiđe thì R?v tương đương với thành phần hoạt của trở tải của phiđe. Nhưng về bản chất R?v chỉ thuần tuý là một tải điện động tương đương. Nó phản ánh kết quả tương tác ngược của trường phát xạ trong vùng xa lên anten. Trong khi đó thì, để tính trở tiêu hao Rth ta cần biết giá trị trường hay dòng ngay trên anten.
Nguyên nhân tồn tại thành phần kháng Xv của trở vào chính là do sự tồn tại công suất kháng dao động giữa anten và trường trong vùng gần. Giá trị công suất kháng phụ thuộc rất nhiều vào dạng mặt dẫn của anten. Để tính Xv ta cần biết cấu trúc trường của anten trong vùng gần. Bài toán tìm Xv này rất phức tạp và thường không giải được chặt chẽ. Vì thế người ta thường xác định Xv bằng thực nghiệm.
Đối với các anten được nuôi bằng ống dẫn sóng (anten siêu cao tần) thì có thể tính trở vào qua hệ số phản xạ
Từ lý thuyết đường dây đ• biết hệ số phản xạ

Do đó
(1.40)
ở đây là trở vào chuẩn hoá của anten.

1.9. dải tần công tác của anten (dải thông)

Sóng điện từ được phát xạ hay thu về bởi anten là những dao động điện từ đ• biến điệu. Mọi dao động biến điệu có một phổ tần nào đó. Do vậy để đánh giá khả năng làm việc của anten khi tần số thay đổi như thế nào, người ta đưa ra khái niệm dải tần công tác (hay dải thông).
Dải thông của anten là dải tần mà trong đó sự thay đổi các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten (các tham số và đặc trưng) theo tần số không vượt quá một phạm vi cho phép.
Dải thông của anten được xác định bởi đặc trưng tần số của nó. Đặc trưng tần số là sự phụ thuộc của các chỉ tiêu kỹ thuật vào tần số.
Đối với các anten dây: thì đặc trưng tần số là sự phụ thuộc của biên độ dòng ở lối vào vào tần số khi điện áp trên lối vào không đổi.

Để độ méo tín hiệu nằm trong phạm vi cho phép, người ta qui ước dòng ở lối vào phải không thay đổi quá giá trị 3db so với giá trị cộng hưởng (Imax). Tức là

Chính sự phụ thuộc của trở vào vào tần số quyết định sự thay đổi của dòng theo tần số khi uv = const.



- Đối với các anten siêu cao tần (khi đó người ta không sử dụng khái niệm dòng ở lối vào) thì đặc trưng tần số là sự phụ thuộc của hệ số sóng chạy hay hệ số sóng đứng vào tần số. hay là sự phụ thuộc của đặc trưng hướng hay hệ số tác dụng định hướng vào tần số.
Yêu cầu về độ rộng dải thông tuỳ từng trường hợp vào điều kiện sử dụng anten. Nếu độ rộng dải thông không quá vài phần trăm tần số trung bình thì anten được gọi là có dải thông hẹp, còn độ rộng dải thông bằng vài chục phần trăm hay lớn hơn thì gọi là dải rộng.

1.10. Dòng và sức điện động trên
lối vào của anten thu

1.10.1. Lập bài toán và phương pháp giải
Đối với máy thu, anten thu là một nguồn sức điện động e có trở nội Zv, còn trở vào của máy thu là tải Zt của anten. Do đó có thể biểu diễn hệ anten thu - máy thu bằng sơ đồ tương đương (hình 1-11) và ta có:
(1.41)
Ta cần giải quyết các vấn đề sau:
- Xác định giá trị dòng và sức điện động cảm ứng ở lối vào của anten xuất hiện dưới tác dụng của sóng tới.
- Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của anten.
- Xác định công suất cho phép của tín hiệu ở lối vào của máy thu để bảo đảm máy thu làm việc bình thường trong điều kiện có nhiễu ngoài và tạp âm nội bộ của máy thu.
Giải quyết bài toán này bằng phương pháp điện động học gặp nhiều khó khăn, vì thế để đơn giản ta dùng nguyên lý tương hỗ, dựa trên nguyên lý này ta có thể chứng minh các đặc trưng và tham số của anten làm việc ở chế độ thu và phát là như nhau.
1.10.2. Nguyên lý tương hỗ
Nguyên lý tương hỗ đ• được chứng minh trong lý thuyết mạng 4 cực tuyến tính thụ động. Ta sẽ dùng nó để xác định các chỉ tiêu kỹ thuật điện của anten thu.
Bản chất của nguyên lý tương hỗ: Trong không gian tự do ta đặt 2 anten 1 và 2 (hình 1-12). Hệ 2 anten này có thể coi như một mạng 4 cực. Nếu đầu 1 - 1 được nối với máy phát cao tần với sức điện động e1 và đầu 2-2 được nối với một ampe kế ta sẽ đo được dòng I21.
Hình 1-12.

Nếu đầu 2-2 được nối với một máy phát cao tần với sức điện động e2 và đầu 1-1 được mắc với một ampe kế ta sẽ đo được dòng I12. Nguyên lý tương hỗ phát biểu như sau:
Tỷ số sức điện động trong anten phát với dòng do nó gây ra trên anten thu không thay đổi khi ta thay đổi vai trò thu phát của các anten này. Từ đó suy ra:
(1.42)
Bây giờ ta sẽ áp dụng nguyên lý tương hỗ để xác định các đặc trưng và tham số của anten.
3. Tính dòng và sức điện động cảm ứng trên anten.
Giả sử chúng ta đ• biết các đại lượng Dmax, RS, Zv và F(?, ?) của cả 2 anten ở chế độ phát.
Nếu đặt e1 vào anten 1 và trong nó chảy dòng IA1 thì ở anten 2 (làm việc ở chế độ thu) sẽ xuất hiện trường điện từ có cường độ bằng:
(1.43)
Trong đó là hướng từ anten 1 đến anten 2, công suất bức xạ của anten là:
(1.44)
Thay (1.44) vào (1.43) và chú ý rằng:

Giải phương trình đối với e1 ta có;
(1.45)
Tương tự như thế, khi anten 2 làm việc ở chế độ phát còn anten 1 làm việc ở chế độ thu ta sẽ có:
(1.46)
áp dụng nguyên lý tương hỗ (1.42) ta có:

Chú ý rằng các tham số, đặc trưng hướng trong đẳng thức trên đều tính ở chế độ phát. Còn I21, I12 là dòng ở lối ào của anten 2 và 1 khi chúng làm việc ở chế độ thu.
Sau khi rút gọn và chuyển về mỗi phía của đẳng thức các đại lượng ứng với từng anten riêng, ta có:

Nếu không thay đổi anten 1 thì vế trái của (1.48) không thay đổi dù ta thay đổi anten 2 (vì rằng tỉ số tỷ số ). Từ đó rút ra, vế phải của mọi anten cũng không thay đổi. Ta có thể viết:
(1.49)
Để xác định giá trị của hằng số trong (1.49) ta có thể lấy bất kỳ 1 anten nào đó, đơn giản nhất là lưỡng cực điện. Khi đó:

và F(?,?) = sin?
Sau khi đơn giản ta có
(1.50)
Thay (1.50) vào (1.49) ta được
(1.51)
Như vậy, khi biết được cường độ trường E ta có thể xác định được giá trị dòng I ở lối vào của anten thu nếu biết các tham số của anten này ở chế độ phát.
Sức điện động cảm ứng trên anten thu là:
(1.52)
Đối với các anten dây ta có thể tính sức điện động cảm ứng trên anten thu theo phương pháp sau:
Ta biết rằng dòng tại 1 thiết diện bất kỳ của anten là do tác dụng của sức điện động phân bố dọc anten.
Nếu chia dây dẫn ra các đoạn rất nhỏ (hình 1.13a) thì trong đoạn này có thể coi điện trường không đổi và sức điện động trên đoạn này là:

tạo ra ở đầu vào máy thu dòng ơơ.
Giả sử anten được mắc 1 máy phát sóng có sức điện động e (hình 1.13b); e = IA(Za + Zth). Dưới tác dụng của e dọc anten có phân bố dòng ứng với chế độ phát.
Gọi dòng tại thiết diện tại là . áp dụng nguyên lý tương hỗ (1.42) ta có:

Kết quả dòng tổng hợp ở đầu vào máy thu dưới tác dụng của các sức điện động phân bố là:

Hình 1-13.

Tích phân trong biểu thức trên chính là sức điện động tạo bởi anten thu.

Tỷ số không phụ thuộc e gọi là phân bố dòng trong chế độ phát:

Vậy (1.52)

1.11. Các dạng đặc trưng và tham số của anten thu

1.11.1. Mối liên quan giữa các đặc trưng và tham số của một anten khi nó làm việc ở chế độ thu và phát.
- Đặc trưng hướng: đặc trưng hướng của anten thu là sự phụ thuộc của giá trị sức điện động cảm ứng trên lối vào của anten vào phương truyền sóng tới, khi cường độ điện trường E tại nơi thu bằng const (E = const). Từ (1. 52) ta rút ra:
e = const.F(?,?)
Do đó, đặc trưng hướng chuẩn hoá của anten ở chế độ thu và phát là như nhau:
- Hệ số tác dụng định hướng: Hệ số tác dụng định hướng chỉ phụ thuộc vào đặc trưng hướng. Do vậy, chúng như nhau khi anten làm việc ở chế độ thu và phát. Có nghĩa là Dthu(?,?) = Dphát(?,?). ở đây ta phải hiểu: hệ số tác dụng định hướng ở chế độ thu là tỉ số công suất nhận được của anten định hướng theo hướng (?,?) và công suất của anten đẳng hướng, khi cường độ trường tại nơi thu bằng const.
- Hiệu suất: vì anten là một hệ tuyến tính thụ động nên hiệu suất của nó không thay đổi khi hướng truyền của năng lượng qua nó thay đổi. Do đó, hiệu suất của anten ở chế độ thu và phát như nhau.
Khi đó ta cần hiểu: hiệu suất của anten thu là tỉ số công suất có ích (cung cấp cho máy thu) với công suất toàn phần mà anten thu được.
- Hệ số khuếch đại: Vì hệ số khuếch đại G = lA.D nên Gthu = Gphát. Ta phải hiểu hệ số khuếch đại của anten thu là tỉ số công suất cung cấp cho máy thu của anten định hướng với công suất thu được của anten vô hướng khi cường độ trường tại điểm thu không đổi.
Như vậy các anten thu và phát về nguyên tắc là thuận nghịch. Tức là, một anten bất kỳ có thể vừa dùng để thu, vừa dùng để phát. Nhưng cần chú ý rằng giá trị công suất cho phép của anten phát phải rất lớn hơn so với anten thu.
1.11.2. Công suất anten thu cung cấp cho tải
Giá trị công suất anten thu cung cấp cho tải được xác định bởi công thức.
(1.53)
Trong đó Rt là thành phần hoạt của điện trở tải (chẳng hạn như trở vào của máy thu, hay trở sóng của phiđe).
Còn I là dòng qua trở tải.
Thay (1.51) vào (1.53) ta có;
(1.54)
Nếu anten thu phối hợp trở kháng với tải, thì Rt = Rv; Xt = - Xv. Thay những giá trị này vào (1.54) và chú ý rằng
và Fmax = 1
Ta nhận được công thức để xác định công suất cực đại của anten cung cấp cho tải là:

1.11.3. Diện tích hiệu dụng, hệ số sử dụng diện tích và hệ số hiệu quả
Anten thu có thể coi như một vật hấp thụ năng lượng sóng tới. Vì vậy, đối với các anten có mặt mở người ta đưa vào khái niệm diện tích hiệu dụng của anten (tương tự với việc đưa vào khái niệm chiều dài hiệu dụng của anten dây).
- Diện tích hiệu dụng của anten là tỉ số công suất nhận được P của anten với mật độ công suất (giá trị của véctơ poynting) của sóng tới. Có nghĩa là:
(1.56)
Không phải mọi phần của mặt mở của anten đều nhận và biến đổi được toàn bộ công suất của sóng tới nó. Nên
P ? Ptới
Trong đó Ptới = . Ahh; Ahh là diện tích hình học mặt mở của anten. Ptới là công suất tới vuông góc với mặt mở của anten.
Như vậy, rõ ràng là
Ahd ? Ahh
Hệ số sử dụng diện tích:
Chính vì Ahd ? Ahh, nên để đánh giá chất lượng của anten, người ta đưa ra khái niệm hệ số sử dụng diện tích. Đó là tỷ số giữa diện tích hiệu dụng và diện tích hình học của anten.
(1.57)
Đối với các anten thường dùng hiện nay, thường có Ahd < Ahh. Do đó A < 1.
Khi anten cung cấp công suất cực đại cho máy thu thì:
Pmax = A. P = A. A. Ptới (1.58)
- Hệ số hiệu quả: tích số A. A được gọi là hệ số hiệu quả và được ký hiệu là gA. Nó đặc trưng cho hiệu quả biến đổi năng lượng của anten.
gA = A. A (1.59)
- Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng và tính phương hướng.
So sánh vế phải của (1.55) và (1.58) ta có

Từ đó ta suy ra:
(1.60)
và (1.61)
Các công thức này giúp ta dễ dàng đánh giá được tính định hướng của các anten mặt.

1.11.4. Hệ số sử dụng diện tích của mặt mở bức xạ

Trên cơ sở nguyên lý tương hỗ, các tham số Ahd và A được dùng để đánh giá tính định hướng và khả năng biến đổi năng lượng của một anten. Đối với anten ở chế độ phát, ta có thể hiểu rằng: Diện tích hiệu dụng của anten phát là diện tích một mặt mở bức xạ đồng biên, đồng pha và tạo ra tại điểm quan sát ở vùng xa theo hướng bức xạ cực đại một cường độ trường như anten phát đ• cho điều kiện giá trị cực đại biên độ cường độ trường của nguồn phát xạ bằng nhau.
Đối với các anten có mặt mở đồng pha lớn thường được sử dụng trong dải sóng cực ngắn (anten gương, thấu kính...) có thể xác định hệ số sử dụng diện tích qua hàm phân bố biên độ trên mặt mở bức xạ.
Nếu trên mặt mở bức xạ có diện tích hình học là Ahh được kính thích trường đồng pha Eo(x,y) thì mật độ dòng công suất qua mặt mở là:
(1.62)
Còn công suất phát xạ toàn phần bằng


Khi phát xạ vô hướng thì mật độ dòng công suất.

Như ta đ• biết từ lý thuyết trường điện từ vi phân diện tích dS tạo ra theo hướng bức xạ cực đại cường độ trường.

Do đó biểu thức của mật độ dòng công suất của anten định hướng trong vùng xa là:


Theo định nghĩa (1.21)
(1.63)

So sánh (1.63) với (1.61) ta có
(1.64)
Từ (1.64) ta suy ra hệ số sử dụng diện tích của mặt mở bức xạ đồng pha.
(1.65)

Chú ý rằng các kết quả nhận được không thể dùng với anten mặt mở không đồng pha, hay mặt mở có kích thước nhỏ vì rằng khi đó biểu thức (1.62) không còn đúng nữa.
BALUN BỘPHỐI HỢP TRỞKHÁNG
+ Kết nối 1 hệcâng bằng với 1 hệkhông cân bằng .
+ Anten dipole nuôi bởi đường dây song hành được cân bằng so với đất khi 2 nữa
của dipole có cùng định hướng và vịtrí so với đất .
- Khiđó 2 nửa của dipole có điện thếV và -V so với đất .
- Khi anten dipole được nuôi bởi cáp đòng trục thì hệkhông cân bằngÆdòng
được kích thích trên mặt ngoài của vỏcáp đồng trục≠dòng 2 trên nửa của dipole
Æhiện tượng giao thoa các trường bức xạ Æthay đổi kiểu bức xạcủa dipole cần
PALUN.
- BALUN được cấu trúc theo rất nhiều kiểu phụthuộc vào dải tầng công tác .
- làm nghẹt 1/4 bước sóng : sửdụngtần sốcao .
+ BALUN dùng cho anten thu TV

veGzQVYLBZ3K7sw

---