AP-Chapter4-2011

Dept. of Telecomm. Eng.Faculty of EEE 1 AP2011

BG, DH, HCMUT

Phần 1: Anten

Chương

4: Các

Loại Anten Thông Dụng


BG, DH, HCMUT

NỘI DUNG

1.

Dipole băng

rộng

(biconical, cylindrical, folded, sleeve)

2. Anten

sóng

chạy

(traveling wave antennas) và anten

băng

rộng

(anten

dây

dài, V dipole,

Rhombic, Helix, Yagi-Uda, Anten

log-chu

kỳ)3. Anten

loa

(horn antennas)

4. Anten

phản xạ

(reflector antennas)


BG, DH, HCMUT

1. DIPOLE BĂNG RỘNG: BICONICAL DIPOLE (1)


BG, DH, HCMUT


Trường

điện, trường

từ, dòng

và

áp:


BG, DH, HCMUT


Trường bức xạ:

Điện áp giữa 2 điểm

trên

2 hình

nón

cách

nhau

khoảng

r so với gốc toạ độ, được cho bởi:


BG, DH, HCMUT


Dòng

điện trên bề

mặt hình nón ở

khoảng

cách

r so với gốc toạ độ được xác định

bởi:

Trở kháng vào (input impedance):Hình nón vô hạn:Trở

kháng

đặc

tính

(characteristic impedance): cũng

là

trở

kháng

vào

tại

điểm cấp

điện:


BG, DH, HCMUT


Trong

không

gian

tự

do (free space), trở

kháng

đặc tính

thành:

Trường

hợp

các

hình

nón

là

nhỏ:

Công suất bức xạ:


BG, DH, HCMUT

1. DIPOLE BĂNG RỘNG: FOLDED DIPOLE (1)

Một

folded dipole

được tạo bởi

2 dipole nối

thành

vòng

như hình

vẽ, khoảng

cách

s rất nhỏ

hơn

so với bước

sóng.


BG, DH, HCMUT


Folded dipole có

thể được

phân

tích

bằng

cách

xếp chồng

2 chế độ: chế độ transmission line và

chế độ anten (xem hình vẽ,

xem

thêm

[1]). Do đó trở

kháng

vào

tại

điểm cấp nguồn là:

Với Zd

là

trở

kháng

vào

của

dipole thẳng

có

chiều dài l và

bán kính

tương

đương

ae ở

chế độ anten:

Trở

kháng

vào

Zd

được xác định

bởi:


BG, DH, HCMUT



BG, DH, HCMUT


Zt

là

trở

kháng

vào

tại

điểm

a-b (hay e-f) ở

chế độ transmission line:

Với Z0

là

trở

kháng

đặc tính của

transmission line:

Nếu

s/2 >> a, thì:


BG, DH, HCMUT


•

Trường

hợp

đặc biệt, l = λ/2:

Do đó:


BG, DH, HCMUT

2. ANTEN SÓNG CHẠY (1)

Anten với đầu cuối hở mạch (dipoles, monopoles, etc.) đượcxem như anten sóng đứng (standing wave antenna hay resonant antenna). Dòng trên anten này là tổng của 2 dòngtheo hướng ngược nhau (dòng của sóng tới và sóng phảnxạ). Ví dụ, dòng trên dipole chiều dài l được cho bởi:


BG, DH, HCMUT


Dòng

trên

nhánh

trên

của

dipole có

thể được biểu diễn như

sau:


BG, DH, HCMUT


Anten sóng chạy (traveling wave antenna) được đặc trưngbởi đầu cuối phối hợp trở kháng (không phản xạ sóng) đểsao cho dòng tương ứng cho sóng chạy theo chỉ một hướng.

Xem

xét

một

đoạn

anten

sóng

chạy với chiều dài l nằm trên trục z như

hình

vẽ

(trường

xa

của

anten

sóng

chạy sẽ

là

xếp

chồng

của

các

đoạn

anten

sóng

chạy). Dòng

sóng

chạy dọc theo

trục z là:


BG, DH, HCMUT



BG, DH, HCMUT


Bỏ

qua tổn

hao

trên

anten, ta

có:

Vector thế điện

ở

trường

xa:


BG, DH, HCMUT



BG, DH, HCMUT


Đặt

, ta

có:

Do đó, trường

xa

của một

đoạn

anten

sóng

chạy:


BG, DH, HCMUT


Nếu

β = k,

, ta

có:


BG, DH, HCMUT


Mật

độ

công

suất bức xạ

trung

bình:


BG, DH, HCMUT


Công

suất bức xạ

của một

đoạn

anten

sóng

chạy:

Điện trở

bức xạ

tương

ứng:

Cường

độ

bức xạ:


BG, DH, HCMUT


Đồ

thị định

hướng

chuẩn hoá:

Các

đỉnh

của

đồ

thị

hướng

tính

xảy ra tại

các

góc:

Góc

tại giá trị

cực

đại của

búp

sóng

chính

tương

úng

với m = 0 (hoặc

2m+1 = 1).


BG, DH, HCMUT


Các

giá

trị

null của

độ

thị

hướng

tính

xảy ra tại

các

góc:

Hệ

số định

hướng

của

đoạn

anten

sóng

chạy:


BG, DH, HCMUT


V Antenna:


BG, DH, HCMUT


V Anten

đơn hướng

(Unidirectional V antenna):


BG, DH, HCMUT


V anten

2 hướng

(Bidirectional V anten):


BG, DH, HCMUT


V anten có tải:


BG, DH, HCMUT


Góc

θ0

tối

ưu

để

có

được hệ

số định

hướng

lớn nhất, theo

[1]:

Hệ

số định

hướng

tương

ứng

là:


BG, DH, HCMUT


Rhombic Antenna:


BG, DH, HCMUT



BG, DH, HCMUT

2. ANTEN BĂNG RỘNG: ANTEN XOẮN ỐC (1)

Anten xoắn ốc(Helical Antenna):

N vòng

xoắn

ốcL = NSChiều dài tổng

cộng

của dây

anten:


BG, DH, HCMUT


Anten

xoắn

ốc thường

dùng

với 2 chế độ cơ

bản: broadside (normal) và

end fire (axial).


BG, DH, HCMUT


•

Ở

chế độ broadside: hướng

tính

cực

đại theo hướng

vuông góc

trục

anten

và

xấp xỉ

zero theo

hướng

trục

anten.

•

Ở

chế độ endfire: chỉ

có

một

búp

sóng

chính

cực

đại

theo hướng

trục

anten.


BG, DH, HCMUT


•

Xét

anten

xoắn

ốc

ở

chế độ broadside: được xem gần đúng

như

sự

kết hợp giữa N

dipole ngắn

(có

chiềudài

S) và

N anten

vòng

(có

đường

kính

D). Như

vậyđiện trường

của

anten

gồm

2 thành

phần (tương

ứngcho

điện trường

của

dipole

ngắn

Eθ

và

điện trường

củaanten

vòng

Eφ

)


BG, DH, HCMUT


Hệ

số

AR (axial ratio) được

định

nghĩa bởi:

Bằng

cách

thay

đổi

S và/hoặc

D, ta

có: 0 ≤

AR < ∞Khi

AR = 0, Eθ = 0: phân

cực tuyến

tính

hướng

ngang.

Khi

AR = ∞, Eφ = 0:

phân

cực tuyến

tính

hướng

đứng.


BG, DH, HCMUT


Khi

AR = 1: xảy

ra

khi:

Khi

đó

anten

có

phân

cực

tròn

cho

mọi hướng

(ngoại trừ tại

θ

= 0o, tại

đó trường

bằng

zero).

Để

hoạt

động

ở

chế độ broadside, giả

sử

dòng

phân

bố trên

dây

anten

có

biên

độ

và

pha

là

hằng

số

(chiều dài

tổng

cộng

của

dây

anten

rất nhỏ

hơn bước

sóng).


BG, DH, HCMUT


•

Xét

anten

ở

chế độ end fire, ta

có

các

công

thức tính thực nghiệm [1] với giả

sử

cho

anten

phân

cực tròn:

–

Trở

kháng

vào

(thuần trở):

–

Độ

rộng

búp

sóng

nửa

công

suất:

–

Độ

rộng

búp

sóng

giữa

2 null đầu

tiên:


BG, DH, HCMUT


–

Hệ

số

hướng

tính:

–

Hệ

số

AR:

–

Đồ

thị

hướng

tính

chuẩn

hóa

(trường

xa):


BG, DH, HCMUT


•

Trường

hợp xem anten xoắn như

dãy

anten

endfire gồm

N phần tử, khoảng

cách

giữa

các

phần tử

là

S,

các

phần tử

nằm trên trục

z:

•

Trường

hợp xem anten xoắn như

dãy

anten

Hansen- Woodyard

gồm

N phần tử, khoảng

cách

giữa

các

phần tử

là

S, các

phần tử

nằm trên trục

z:


BG, DH, HCMUT

2. ANTEN BĂNG RỘNG: ANTEN YAGI-UDA (1)

Anten Yagi-Uda dùng các phần tử anten thẳng:Đối với

dãy

anten

thông

thường

(chương

3), tất cả

các

phần

tử

của dãy đều

được

kích

thích

dòng. Với

dãy

anten

Yagi- Uda

(thuộc

nhóm

dãy

kí

sinh

-

parasitic array), thường

chỉ

có

một phần tử được kích thích điện, các

phần tử

khác

không được kích thích điện

mà

chi được

ghép

tương

hỗ điện từ

(thường

được gọi

là

các

phần tử

kí

sinh). Phần tử được cấp nguồn gọi là phần tử

lái

(driven element) thường

là

½-λ

dipole hoặc

folded dipole, phần tử

phía

trước phần tử

lái

gọi là

phần tử

hướng

xạ

(director) mang

tính

cảm

kháng, phần

tử

phía

sau

gọi là phần tử

phản xạ

(reflector) mang

tính dung kháng. Thường

dãy

anten

Yagi-Uda

được sử

dụng

ở

chế độ end-fire. Dạng

tổng

quát

của

anten

Yagi-Uda

như

sau:


BG, DH, HCMUT



BG, DH, HCMUT


Anten

Yagi-Uda

dân

dụng

cho

TV:


BG, DH, HCMUT


Ví

dụ đồ thị

hướng

tính

của

dãy

anten

Yagi-Uda

gồm

15 phần tử (xem

ví

du

10.2, pp. 587-588, [1]).


BG, DH, HCMUT


Ví

dụ

hệ

số

hướng

tính

theo

băng

thông

của

dãy

anten

Yagi- Uda

gồm 6 phần tử

(p.593, [1]).


BG, DH, HCMUT


•

Ưu

điểm

dãy

anten

Yagi-Uda:–

Trọng

lượng

nhẹ

–

Giá

thành

thấp–

Đơn giản

trong

chế

tạo

–

Búp

sóng

đơn hướng

(dựa vào thông số

Front-to-back ratio)–

Tăng

hệ

số

hướng

tính

so với

các

loại anten thẳng

khác

–

Ứng

dụng

thực tế ở các

băng

tần: HF (3-30 MHz), VHF (30- 300 MHz), UHF (300 MHz -

3 GHz)


BG, DH, HCMUT


•

Các

thông

số

tiêu

biểu của

dãy

anten

Yagi-Uda:–

Phần tử

lái: có

chiều

dài

0.45λ

-

0.49λ, tùy

thuộc bán

kính, folded dipole được

dùng

để

tăng

trở

kháng

vào.–

Phần tử

hướng

xạ: chiều

dài

0.4λ

-

0.45λ

(khoảng

10%

-

20 % ngắn hơn phần tử

lái), các

phần tử

không

cần có kích

thước giống

nhau.

–

Phần tử

phản xạ: khoảng

0.5λ

(khoảng

10% -

20 % dài hơn phần tử

lái)

–

Khoảng

cách

giữa

các

phần tử

hướng

xạ: 0.2λ

-

0.4λ, không

cần

đều.

–

Khoảng

cách

với phần tử

phản xạ: 0.1λ

-

0.25λ


BG, DH, HCMUT


•

Điện trường

của

dãy

anten

Yagi-Uda

ở

vùng

xa: là

tổng của

các

điện trường

của

N phần tử, mỗi phần tử

có

chiều

dài

ln :


BG, DH, HCMUT


Dòng

trên

mỗi phần tử

có

thể

phân

tích

bởi chuỗi

Fourier với số

bậc

(mode) là

M:

Bài

tập: Viết chương

trình

tính

điện trường

tổng

cộng

cho

dãy anten

Yagi-Uda

(tham

khảo chương

trình

yagi-uda.exe và

các

ví

dụ

kết quả

kèm

theo, dựa

theo

ví

du

10.2, pp. 587-588, [1]).


BG, DH, HCMUT


•

Trở

kháng

vào

của

dãy

anten

Yagi-Uda

phụ

thuộc nhiều vào

khoảng

cách

giữa phần tử

phản xạ

và

phần tử

lái. Ví

dụ

(p. 593, [1]):

Do đó cần có sự

phối hợp trở

kháng

giữa

anten

và

đường dây

truyền

sóng.


BG, DH, HCMUT


• Thiết kế

dãy

anten

Yagi-Uda

([1]):–

Dựa vào bảng

10.6 (p. 595, [1]) với tỉ

số đường

kính

của

phần tử

anten

trên

bước

sóng

là

d/λ

= 0.0085.–

Phần tử

lái

là

λ/2-folded dipole. Khoảng

cách

giữa phần tử

lái

và

phần tử

phản xạ

(chì

1 phần tử

phản xạ) là

0.2λ.–

Dựa

vào

Hình

10.27 biểu diễn chiều dài (chưa

bù) của

các

phần tử

phản xạ

và

hướng

xạ

với

0.001 ≤

d/λ ≤ 0.04.–

Dựa

vào

Hình

10.28 chiều dài bù (tăng

thêm) của

các

phần

tử

phản xạ

và

hướng

xạ

cho

trường

hợp trụ đở anten

bằng kim

loại

và

0.001 ≤

D/λ ≤ 0.04, với D là đường

kính

của

trụ đở.–

Thông

số

vào

(specification)

thường

là: tần số

trung

tâm,

hệ

số

hướng

tính, d/λ, D/λ. Các

phần tử

làm

bằng

nhôm. Các

giá

trị

cần

tìm

là: các

chiều

dài

và

các

khoảng

cách

giữa

các

phần tử.


BG, DH, HCMUT


Bảng

10.6:


BG, DH, HCMUT



BG, DH, HCMUT


Hình

10.27:


BG, DH, HCMUT


Hình

10.28:


BG, DH, HCMUT


Xem

ví

dụ

10.3, pp. 596-597, [1].


BG, DH, HCMUT

2. ANTEN BĂNG RỘNG: ANTEN LOG CHU KỲ

(1)

•

Xét

anten

log chu

kỳ

(log-periodic antenna) dùng

dãy các

dipole:

Anten

log chu

kỳ được xem như

anten

độc lập với tần số (frequency-independent antenna), loại

anten

này

thường

có

tỉ

số

băng

thông

10:1 ( fmax

: fmin

).


BG, DH, HCMUT


(2)

Quan

hệ

giữa

các

kích

thước của

anten

log chu

kỳ

với tỉ

số hình

học

(geometric ratio) τ

như

sau:

Hệ

số

khoảng

cách

giữa

các

phần tử

(spacing factor):


BG, DH, HCMUT


(3)

•

Kết nối: khác

với

anten

Yagi-Uda, các

phần tử

của anten đều

được kết nối với

nhau.


BG, DH, HCMUT


(4)

•

Các

phương

trình

để

thiết kế

anten

log chu

kỳ:

Chiều dài phần tử

dài

nhất và ngắn nhất của

anten

tùy thuộc tần số

hoạt

động

thấp nhất (fmin

) và

cao

nhất (fmax

) của

dãy

anten. Định

nghĩa băng

thông

vùng

tích

cực Bar

như

sau:

Băng

thông

được thiết kế

Bs được xác định

bởi:

với

B là

băng

thông

mong

đợi.


BG, DH, HCMUT


(5)

Chiều dài tổng

cộng

của anten (từ

phần tử

ngắn nhất

lmin

đến phần tử

dài

nhất

lmax

):

Số

phần tử

của

(dãy) anten:

Định

nghĩa trở

kháng

đặc

tính

trung

bình:


BG, DH, HCMUT


(6)

Tỉ

số

giữa trở

kháng

đặc

tính

dây

truyền

sóng

(Z0

) trên

trở kháng

vào

(Rin

) được xác định

bởi

đồ

thị:


BG, DH, HCMUT


(7)

Khoảng

cách

s (giữa

2 nhánh

của

dipole):

Thiết kế:Thông số vào (specification):

•

Hệ

số

hướng

tính

D0

(theo

dB).•

Trở

kháng

vào

Rin

.•

Đường

kính

các

phần tử

d.

•

Băng

thông

mong

đợi

B (fmin

÷fmax

).Các bước:

1. Cho

trước

D0

, xác

định

σ

và

τ

tử đồ thị

sau:


BG, DH, HCMUT


(8)


BG, DH, HCMUT


(9)

2. Xác

định

α.3. Xác

định

Bar

và

Bs

.4. Tìm

L và

N.

5. Tìm

Za

.6. Tìm

Z0

/Rin

.7. Tìm

s.

Xem

ví

dụ

11.1 pp. 634-635, [1].


BG, DH, HCMUT

ANTEN KHE HỞ

(APERTURE ANTENNA) (1)

Anten

khe

hở

(aperture antenna) có

khe

hở

(với

nhiều loại khác

nhau) để

sóng

điện từ

có

thể được

phát

hoặc

thu. Ví

dụ:

anten

khe

(slot antenna), ống

dẫn

sóng

(waveguide), anten

loa (horn antenna), anten

phản xạ

(reflector), anten

thấu kính (lens

antenna). Phương

pháp

phân

tích

anten

khe

hở

khác

với

phân tích

anten

dây. Anten

khe

hở được

dùng

nhiều

trong

các

ứng

dụng

trong

hàng

không

và

không

gian.


BG, DH, HCMUT

ANTEN KHE HỞ


Xét

ống

dẫn

sóng

hình

chử

nhật có đầu cuối hở

mạch

được nối

đến mặt phẳng

đất dẫn

điện (mặt phẳng

xoy):


BG, DH, HCMUT

ANTEN KHE HỞ


Giả

sử

trường

trong

ống

dẫn

sóng

chỉ

gồm

mode TE10, phân bố

trường

ở

khe

hở ống

dẫn

sóng

là:

với


BG, DH, HCMUT

ANTEN KHE HỞ


Trường

bức xạ ở vùng

xa

là:


BG, DH, HCMUT

ANTEN KHE HỞ


Trường

trên

mặt phẳng

E (φ

= 90o) và

H ( θ

= 0o) là:


BG, DH, HCMUT

3. ANTEN LOA (HORN ANTENNAS) (1)

Anten

loa

là

phần

chuyển

đổi

(hay phối hợp) giữa mode dẫn

sóng

trong

ống

dẫn

sóng

và

mode truyền

sóng

trong

không

gian

tự

do. Anten

loa

giảm sóng phản xạ

và

do đó có

tỉ

số

sóng

đưng

(VSWR) thấp.

Có

3 loại

anten

loa: –

Anten

loa

theo

mặt phẳng

E (bức xạ

chỉ

theo

hướng

mặt

phẳng

E)–

Anten

loa

theo

mặt phẳng

H (bức xạ

chỉ

theo

hướng

mặt phẳng

H)–

Anten

loa

theo

hình

kim

tự

tháp

(bức xạ

theo

cả

2

hướng

mặt phẳng

E và

H).Ống

dẫn sóng gắn với

anten

loa

hoạt

động

đơn

mode, tần

số

hoạt

động

trên

tần số

cắt của

mode TE10 nhưng

dưới tần số

cắt của

mode cao

nhất kế

tiếp.


BG, DH, HCMUT


•

Anten

loa

theo

mặt phẳng

E:


BG, DH, HCMUT



BG, DH, HCMUT


Trường

ở

vùng

xa

của anten loa mặt phẳng

E, trường

theo mặt phẳng

E (φ

= π/2):


BG, DH, HCMUT


với


BG, DH, HCMUT


Trường

ở

vùng

xa


E, trường

theo mặt phẳng

H (φ

= π/2):


BG, DH, HCMUT


với


BG, DH, HCMUT


Hệ

số

hướng

tính

DE của anten loa mặt phẳng

E:


BG, DH, HCMUT


•

Anten

loa

theo

mặt phẳng

H:


BG, DH, HCMUT



BG, DH, HCMUT


Trường

ở

vùng

xa


H, trường

theo mặt phẳng

E (φ

= π/2):


BG, DH, HCMUT


Trường

ở

vùng

xa


H, trường

theo mặt phẳng

H (φ

= π/2):


BG, DH, HCMUT


Hệ

số

hướng

tính

DH của anten loa mặt phẳng

H:


BG, DH, HCMUT


•

Anten

loa

theo

hình

kim

tự

tháp:


BG, DH, HCMUT


Anten

loa

kim

tự

tháp

có

đồ

thị

hướng

tính

theo

cả

2 hướng mặt phẳng

E và

mặt phẳng

H. Trường

theo

hướng

mặt phẳng

E giống

trường

theo

mặt phẳng

E của anten loa mặt phẳng

E, và

trường

theo

hướng

mặt phẳng

H giống

trường

theo

mặt

phẳng

H của anten loa mặt phẳng

H.

Hệ

số

hướng

tính

DP của anten loa kim tự

tháp:


BG, DH, HCMUT

4. ANTEN PHẢN XẠ

(1)

Anten

phản xạ

(reflector antenna) dùng

bề

mặt phản xạ để làm

tăng

độ

lợi của

anten, là

loại

anten

thông

dụng

trong

thông

tin cự

ly

và

trong

radar độ

phân

giải

cao.


BG, DH, HCMUT


(2)

Ví

dụ:


BG, DH, HCMUT


(3)


BG, DH, HCMUT


PARABOL (1)

Anten

phản xạ

parabol

(Parabolic reflector)


BG, DH, HCMUT


PARABOL (2)


BG, DH, HCMUT


PARABOL (3)


BG, DH, HCMUT


PARABOL (4)


BG, DH, HCMUT


PARABOL (5)


BG, DH, HCMUT


PARABOL (6)


BG, DH, HCMUT


PARABOL (7)

•

Điện trường

vùng

xa:

với

Pt là

tổng

công

suất bức xạ

của

nguồn

đặt tại

tiêu

cự của

anten, cường

độ

bức xạ

của nguồn này được cho bởi:

là

hàm

độ

lợi của

nguồn bức xạ, và


BG, DH, HCMUT


PARABOL (8)


BG, DH, HCMUT


PARABOL (9)

•

Hệ

số

hướng

tính:Giả

sử

hàm

không

phụ

thuộc và

khi

, ta

có

trường

tại , là:

Cường

độ

bức xạ:


BG, DH, HCMUT


PARABOL (10)

Do đó, hệ

số

hướng

tính:

Nếu , thì


BG, DH, HCMUT


PARABOL (11)

Hiệu suất mở

(aperture efficiency):

Documents

AP-Chapter4-2011