Ăngten

Ăng-ten

Hình ảnh một ăng-ten Yagi

Ăng-ten (bắt nguồn từ tiếng Pháp antenne /ɑ̃tεn/; tiếng Anh: antenna) là một linh kiện điện tử dùng để bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ.

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, ăng-ten đảm nhiệm hai chức năng chính:

• Bức xạ tín hiệu RF từ máy phát thành sóng vô tuyến
• Thu sóng vô tuyến và chuyển đổi thành tín hiệu RF để xử lý ở máy thu

Ngoài ra, ăng-ten còn có vai trò định hướng năng lượng bức xạ theo các hướng mong muốn, đồng thời giảm hoặc loại bỏ năng lượng ở các hướng không mong muốn. Đây là cơ sở của tính tính định hướng trong thiết kế ăng-ten.

Các đặc trưng quan trọng của ăng-ten gồm:

• Tăng ích (gain)
• Tính định hướng
• Mẫu bức xạ
• Phân cực
• Trở kháng đầu vào

Các tham số này liên quan chặt chẽ với nhau và đều phụ thuộc vào tần số hoạt động của ăng-ten. Từ các đặc trưng cơ bản này có thể suy ra các thông số khác như búp sóng, độ dài hiệu dụng và góc mở hiệu dụng.

Trong thực tế, ăng-ten có nhiều dạng khác nhau như ăng-ten lưỡng cực, ăng-ten mảng, ăng-ten đẳng hướng và ăng-ten định hướng, tùy theo mục đích sử dụng trong hệ thống truyền thông.

Cách hoạt động và định hướng của ăng-ten

Cách hoạt động của ăng-ten có thể hiểu thông qua khái niệm tăng ích (gain). Tăng ích tại một hướng xác định được định nghĩa là tỉ số giữa cường độ bức xạ theo hướng đó và cường độ bức xạ của một nguồn lý tưởng phát công suất RF đều theo mọi hướng.

Nguồn lý tưởng này gọi là bức xạ đẳng hướng (isotropic radiator). Đây là một mô hình lý thuyết, trong đó năng lượng được phân bố đồng đều trong không gian. Thực tế không tồn tại ăng-ten đẳng hướng, nhưng nó đóng vai trò làm chuẩn tham chiếu quan trọng trong kỹ thuật ăng-ten. Một nguồn đẳng hướng có tăng ích bằng 1 (tương đương 0 dB), nghĩa là không có hướng ưu tiên nào trong bức xạ.

Ngoài chuẩn đẳng hướng, một tham chiếu phổ biến khác là ăng-ten lưỡng cực nửa bước sóng. So với nguồn đẳng hướng, loại ăng-ten này có tăng ích khoảng 1.64 lần, tương đương 2.15 dB. Vì vậy, tăng ích ăng-ten thường được biểu diễn theo hai đơn vị:

• dBi: so với nguồn đẳng hướng
• dBd: so với lưỡng cực nửa bước sóng

Mối quan hệ giữa hai đơn vị được xác định như sau: G(dBd) = G(dBi) – 2.15 dB

Bên cạnh tăng ích, tính định hướng (directivity) là một đại lượng quan trọng khác. Directivity mô tả khả năng tập trung năng lượng theo một hướng, nhưng khác với gain ở chỗ nó không bao gồm tổn hao thực tế trong ăng-ten.

Trong thực tế, một phần công suất bị mất do điện trở thuần của vật dẫn, tổn hao điện môi và các cơ chế suy hao khác. Do đó:

• Nếu ăng-ten lý tưởng (không tổn hao), directivity ≈ gain
• Nếu có tổn hao, gain < directivity

Tóm lại, directivity thể hiện “hình dạng bức xạ lý tưởng”, còn gain phản ánh “hiệu suất thực tế” của ăng-ten trong môi trường hoạt động.

Mẫu bức xạ

Mẫu bức xạ (còn gọi là mẫu ăng-ten) là biểu diễn phân bố tăng ích hoặc mật độ công suất của ăng-ten theo mọi hướng trong không gian.

Về bản chất, đây là một mô tả ba chiều của trường bức xạ, thể hiện cách năng lượng được phân bố xung quanh ăng-ten. Tuy nhiên, do tính phức tạp của không gian 3D, mẫu bức xạ thường được biểu diễn bằng các mặt cắt hai chiều để dễ quan sát và phân tích.

Ví dụ với ăng-ten lưỡng cực nửa bước sóng đặt ngang, mẫu bức xạ có thể được biểu diễn theo hai mặt cắt chính:

• Mặt cắt ngang: phân bố gần như đồng đều theo phương ngang, thể hiện tính đẳng hướng trong mặt phẳng này
• Mặt cắt dọc: thể hiện rõ vùng bức xạ cực đại theo phương vuông góc với trục ăng-ten và điểm triệt tiêu theo hướng trùng trục ăng-ten

Điều này cho thấy ăng-ten không bức xạ đồng đều trong mọi hướng, mà tập trung năng lượng theo một số hướng nhất định.

Trong thực tế, khi nói về tăng ích của ăng-ten, người ta thường mặc định hướng tham chiếu là hướng có bức xạ cực đại. Do đó, các giá trị tăng ích thường được chuẩn hóa theo cực đại của mẫu bức xạ.

Như vậy, mẫu bức xạ không chỉ mô tả “hình dạng phát sóng” của ăng-ten, mà còn là nền tảng để xác định hướng hoạt động hiệu quả nhất của hệ thống truyền thông vô tuyến.

Bụng và nút

Các vùng của một mẫu nơi mà tăng ích có vùng phủ cực đại được gọi là bụng, còn những vị trí mà tăng ích có vùng phủ cực tiểu thì được gọi là nút (điểm không). Mặt cắt đứng của lưỡng cực nửa sóng có hai bụng sóng và 2 điểm nút. Hình 2 là một vài ví dụ khác. Một mẫu ăng-ten phức tạp có thể có nhiều bụng và nút theo cả hai mặt cắt đứng và ngang. Bụng sóng có tăng ích lớn nhất thì được gọi là bụng sóng chính hoặc tia chính của ăng-ten. Nếu một ăng-ten chỉ có một giá trị thông số tăng ích thì đó chính là bụng sóng chính hoặc tăng ích tia chính.

Độ rộng bụng sóng được lấy theo giá trị góc của bụng sóng chính theo một trong hai (hoặc cả hai) mặt cắt đứng hoặc ngang. Có một vài định nghĩa về độ rộng bụng sóng, bao gồm Độ rộng nửa công suất hoặc 3 dB, Độ rộng 10 dB, và Độ rộng nút đầu tiên. Độ rộng 3 dB là góc lớn nhất mà tăng ích ở đó thấp hơn tăng ích cực đại 3 dB. Độ rộng nửa công suất hay 3 dB được dùng phổ biến nhất.

Sự Phân cực của Ăng-ten

Thuật ngữ sự phân cực có một vài ý nghĩa. Một cách chính xác, đó là sự định hướng của các véc tơ trường điện từ E tại một vài điểm trong không gian. Nếu Véctơ E giữ nguyên sự định hướng của nó tại mỗi điểm trong không gian thì đó là sự phân cực tuyến tính; Còn nếu nó quay trong không gian, thì đó là sự phân cực tròn hoặc eplip. Trong hầu hết các trường hợp, sự phân cực của sóng được bức xạ là tuyến tính, theo chiều đứng hoặc ngang. Ở một khoảng cách lớn thích hợp so với ăng-ten (Khoảng 10 lần bước sóng), sóng trường xa có thể được coi là sóng phẳng.

Khái niệm về sự phân cực thường được áp dụng cho ăng-ten. Trong trường hợp này, sự phân cực của ăng-ten là sự phân cực của sóng phẳng mà nó bức xạ. Dựa trên nguyên lý thuận nghịch, điều này cũng đúng với các ăng-ten thu. Ví dụ, nếu một ăng-ten thu được phân cực đứng, điều đó có nghĩa là một sóng đầu vào phân cực đứng sẽ cho đầu ra cực đại với ăng-ten đó. Nếu sóng đầu vào được phân cực theo các góc khác, thì chỉ có thành phần đứng mới được phát hiện bởi ăng-ten. Một cách lý tưởng thì một sóng đầu vào phân cực ngang sẽ hoàn toàn không thể được thu bởi một ăng-ten có phân cực đứng. Sự phân cực đứng được dùng chủ yếu trong các ứng dụng LMR (Land Mobile Radio).

Trở kháng đầu cuối của Ăng-ten

Có ba loại trở kháng có liên quan tới ăng-ten. Một là trở kháng đầu cuối của ăng-ten, hai là trở kháng đặc trưng của một đường truyền dẫn, ba là trở kháng sóng.

Trở kháng đầu cuối được định nghĩa là tỉ sổ giữa điện áp và dòng điện tại đầu kết nối của ăng-ten (điểm mà đường truyền dẫn được nối tới). Trở kháng đầu cuối được biểu diễn toán học dưới dạng:

Z = V/I$Z=U\div I$

Với Z là trở kháng, đơn vị là Ohm, V là điện áp, đơn vị là vôn, và I là cường độ dòng điện, đơn vị ampe, tại đầu cuối của ăng-ten với một tần số cho trước. Mỗi biến này có thể được biểu diễn dưới dạng một số phức, với phần thực và phần ảo. Các số phức này cũng có thể biểu diễn bằng cường độ và góc pha – được gọi là ký hiệu phasor.

Phần thực của trở kháng được gọi là thành phần trở thuần, và thành phần ảo được gọi là thành phần kháng, Chúng thường được biểu diễn dưới dạng:

Z = R + jX

Với R là thành phần trở thuần (thực), X là thành phần kháng (ảo)

Việc kết hợp năng lượng một cách hiệu quả nhất giữa một ăng-ten với một đường truyền dẫn khi trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn và trở kháng đầu cuối của ăng-ten như nhau và không có thành phần kháng. Với trường hợp này, ăng-ten được coi là phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn.

Để phối hợp trở kháng, các ăng-ten thường được thiết kế sao cho trở kháng đầu cuối của chúng là 50 ohm hoặc 75 ohm để có thể phối hợp trở kháng với các cáp đồng trục phổ biến. Với các ăng-ten khó có thể loại bỏ (giảm tới không) thành phần kháng. Trong trường hợp này, một mạng phối hợp trở kháng thường được chế tạo như một phần của ăng-ten để thay đổi thành phần trở kháng của nó do đó có thể phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn tốt hơn. Thành phần trở thuần R của trở kháng đầu cuối là tổng của hai thành phần và được biểu diễn bằng ohm.

R = Rr + Rd.

Điện trở bức xạ Rr là "Tải hiệu dụng" biểu diễn công suất bức xạ bởi một ăng-ten dưới dạng sóng điện từ, và điện trở tổn hao Rd là tải mà công suất bị mất. Hiệu suất của một ăng-ten là tỉ số giữa công suất bức xạ và tổng công suất được đưa tới ăng-ten. Nó được biểu diễn dưới dạng:

Efficiency = I2.Rr/I2.R = Rr/R.

Công suất hao phí là do tổn hao trở thuần (dưới dạng nhiệt) trong các phần tử của ăng-ten, dòng dò qua các lớp điện môi và các ảnh hưởng tương tự. Hơn nữa, cũng nên chú ý rằng, hiệu suất của một ăng-ten cũng có thể được biểu diễn dưới dạng tỉ số của tăng ích và tính định hướng (với một hướng cho trước).

Tỉ số sóng đứng điện áp

Tỉ số sóng đứng(SWR), hay còn gọi là điện áp tỉ số sóng đứng (VSWR), không chính xác là một đặc trưng của ăng-ten, nhưng được dùng để mô tả khả năng triển khai một ăng-ten khi được gắn vào một đường truyền dẫn. Nó cho ta biết trở kháng đầu cuối của ăng-ten được phối hợp tốt như thế nào với trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn. Cụ thể, VSWR là tỉ số của điện áp RF tối đa trên điện áp RF tối thiểu dọc theo đường truyền dẫn.

Nếu trở kháng của ăng-ten không có thành phần kháng (ảo) và thành phần trở thuần (thực) bằng với trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn, thì chúng được phối hợp trở kháng. Nếu điều đó xảy ra, thì sẽ không có tín hiệu RF nào gửi tới ăng-ten bị phản xạ lại tại đầu cuối của nó. Trên đường truyền dẫn sẽ không có sóng đứng và VSWR có giá trị là 1. Tuy nhiên, nếu ăng-ten và đường truyền dẫn không được phối hợp, thì một vài thành phần của tính hiệu RF gửi tới ăng-ten bị phản xạ lại dọc theo đường truyền dẫn. Điều đó gây nên sóng đứng, và được đặc trưng bởi các điểm cực đại và điểm cực tiểu tồn tại trên đường dây. Trong trường hợp này VSWR có giá trị lớn hơn 1.

VSWR có thể đo được dễ dàng với thiết bị được gọi là SWR meter. Nó được cài vào đường truyền dẫn và cho ta giá trị của VSWR. Tại giá trị VSWR bằng 1.5, khoảng 4% công suất tới đầu cuối ăng-ten bị phản xạ lại. Tại giá trị 2.0, khoảng 11% công suất tới bị phản xạ lại. VSWR có giá trị từ 1.1 tới 1.5 được coi là tuyệt vời, giá trị từ 1.5 tới 2.0 được coi là tốt, và các giá trị cao hơn 2.0 có thể không chấp nhận được.

Như đã nói ở trên, việc phối hợp trở kháng giữa ăng-ten và đường truyền dẫn chỉ có thể đặt được tại một tần số đơn. Trong thực tế, một ăng-ten có thể được dùng với một dải tần số vào, và trở kháng đầu cuối của nó sẽ thay đổi theo dải tần số đó. Trong thông số kỹ thuật của ăng-ten, trở kháng của các tần số trong băng sẽ được chỉ ra hoặc là VSWR theo tần số sẽ được chỉ ra.

Độ dài hiệu dụng và diện tích hiệu dụng

Độ dài hiệu dụng và diện tích hiệu dụng (còn được gọi là góc mở hiệu dụng) là một cách khác để biểu diễn tăng ích của ăng-ten. Các đặc trưng này tiện dụng và ý nghĩa nhất khi ăng-ten được dùng để thu. Đương nhiên là theo nguyên lý thuận nghịch, các đặc trưng là như nhau nếu ăng-ten được dùng cho việc phát.

Chiều dài hiệu dụng định nghĩa khả năng tạo ra một điện áp tại đầu cuối của một ăng-ten từ trường điện từ tới. Nó được định nghĩa là:

Le = V/E

Với Le có đơn vị là mét, V là điện áp hở mạch đơn vị là von, và E là cường độ trường đơn vị là vol/met. Định nghĩa này giả sử rằng sự phân cực của trường tới và ăng-ten là như nhau. Chiều dài hiệu dụng còn có thể được tính từ tăng ích và điện trở bức xạ.

Diện tích hiệu dụng, hoặc góc mở hiệu dụng được dùng phổ biến hơn chiều dài hiệu dụng. Nó được định nghĩa như sau:

Ae = Pr/P

Với Pr là công suất tại đầu cuối của ăng-ten, đơn vị là watts, và P là mật độ công suất của sóng tới, đơn vị là wat trên mét vuông. Mối quan hệ giữa diện tích hiệu dụng và tăng ích là:

Băng thông

Băng thông là một dải tần số, trong đó khả năng triển khai của ăng-ten là chấp nhận được. Nói cách khác, một hoặc nhiều đặc trưng (như tăng ích, mẫu, trở kháng đầu cuối) có các giá trị chấp nhận được giữa giới hạn của băng thông. Với hầu hết các ăng-ten, tăng ích và mẫu không thay đổi nhiều với tần số như là trở kháng đầu cuối, vì vậy thường được dùng để mổ tả băng thông của một ăng-ten.

VSWR là giá trị đo sự ảnh hưởng của việc không phối hợp giữa trở kháng đầu cuối của ăng-ten và trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn. Vì thế trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn khó thay đổi với tần số, VSWR là một cách tốt để mô tả ảnh hưởng của trở kháng đầu cuối và băng thông của ăng-ten. Lưỡng cực nửa sóng, và các ăng-ten tương tự có băng thông hẹp. Các ăng-ten khác như log-periodic được thiết kế có băng rộng.