Bài giảng Kỹ thuật anten truyền sóng - Chương 1: Giới thiệu về anten

KỸ THUẬT ANTEN
TRUYỀN SÓNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN – LÊ TIẾN THƯỜNG, TRẦN VĂN SƯ
2. LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ANTEN – PHAN ANH
3. ANTENNA THEORY ANALYSIS AND DESIGN – CONSTANTINE A. 
BALANIS
Phần 1 Anten
• Chương 1 Giới Thiệu Về Anten
• Chương 2 Các Đặc Tính Của Anten
• Chương 3 Lý Thuyết Anten
• Chương 4 Hệ Thống Bức Xạ
• Chương 5 Các Loại Anten
Phần 2 Truyền Sóng
• Chương 6 Truyền Sóng Trên Đường Dây dẫn
• Chương 7 Truyền Sóng Qua Ống dẫn Sóng
• Chương 8 Truyền Sóng Vô Tuyến
Phần 1 Anten
Chương 1 Giới Thiệu Về Anten
I. GIỚI THIỆU LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ANTEN
 Định nghĩa Anten: 
Anten là thiết bị dùng để bức xạ và (hoặc) thu nhận năng lượng điện từ.
Anten là thiết bị dùng để truyền năng luợng điện từ giữa máy phát và máy 
thu mà không cần phương tiện truyền dẫn tập trung.
 Lịch sử phát triển của anten:
 1886 Heinrich Hertz (Đức) đã kiểm tra sự tồn tại của sóng điện từ. Ông đã 
phát triển các dipole đơn giản, các anten vòng và các anten có thanh phản 
xạ đơn giản.
 1897 Alexader Popov (Nga) Đã thiết lập tuyến anten thật đầu tiên với 
khoảng cách 3 dặm.
 1901 Marconi đã thực hiện thông tin vô tuyến xuyên đại tây dương (tần số 
60KHz).
 1916 lần đầu tiên tiếng nói được truyền đi bằng vô tuyến (điều biên).
 1920 các hệ thống có thể đạt được đến tần số 1MHz, do đó kích thước 
anten được giảm nhỏ.
 1930 các nguồn phát dao động có thể đạt đến tần số hàng GHz (Klistron, 
magnetron).
 1934 hệ thống vô tuyến thương mại đầu tiên giữa Pháp và Anh được thiết 
lập (1,8GHz).
 1940-1945 nhằm phục vụ thế chiến thứ 2 nhiều phát minh trong việc phát 
triển Rada, các anten phản xạ, các anten thấu kính.
 1945- nay: kỷ nguyên của anten hiện đại, với nhiều công nghệ và kỹ thuật 
mới đáp ứng cho Mạng lưới thông tin vô tuyến có tính toàn cầu và tốc độ 
cao, băng thông rộng : (GPS, Wireless, GSM, CDMA, UWB, WiMax, 
MIMO).
II. CÁC LOẠI ANTEN
• Anten dây (thanh):
Dipole Anten vòng : tròn, vuông
Anten Helix
• Anten khe
Anten dạng loa kèn hình chóp
Anten dạng loa kèn hình nón (cone)
Ống dẫn sóng với đầu cuối hở
• Anten vi dải (patch - microstrip antennas): 
Anten vi dải vuông, kích thích bằng đường truyền vi dải
Anten vi dải tròn, kích thích bằng cáp đồng trục
• Anten phản xạ 
Mặt phản xạ parabol với nguồn 
kích thích đặt phía trước
2 Mặt phản xạ parabol với nguồn 
kích thích đặt phía sau
Mặt phản xạ phẳng
• Anten thấu kính 
Hệ số khúc xạ n>1
Hệ số khúc xạ n<1
lồi – phẳng lồi – lồi lồi – lõm
Lõm – phẳng Lõm – lõm Lõm – lồi
• Hệ thống bức xạ (array antenna)
Anten Yagi Mảng các khe bức xạ
Mảng anten vi dải Mảng các khe trên ống dẫn sóng
Hình minh họa một số anten
Anten dipole nửa bước 
sóng (λ/2=5mm) 
f=29,9GHz
Cường độ điện trường đo tại mặt cầu cách anten 100m
Anten Yagi
Với chấn tử kích 
thích l= λ/2=5mm 
f=29,9GHz
Cường độ trường điện đo tại mặt cầu cách anten 100m
Anten Helix
D=4mm, f=1GHz
Cường độ điện trường đo tại mặt cầu cách anten 100m
III. MỘT SỐ HỆ THỨC GIẢI TÍCH VETOR
332211 ... iAiAiAA
 • Vector:
r
• Hệ toạ độ cầu:
Mri
i
i
• Hệ toạ độ cầu:
Tọa độ điểm M xác định bởi: ),,( rM
Các vector đơn vị: 
 iiiiiiiii rrr
 ,,
 321 ,, uuru
.sin .cos ,
.sin .sin ,
.cos
x r
y r
z r
 
 

Các hệ số Larmor (metric):
sin.,,1 321 rhrhh 
Vector dịch chuyển: 
  idridridrdl r
..sin.... 
2 2 2
. .sin .dl dr r d r d   
Vi phân diện tích:





idrdrdS
idrdrdS
idrdrdS rr
)..)((
)..sin.)((
)..sin.)(.(
Vi phân thể tích:
).sin.)(.)((  drdrdrdV 
• Một số hệ thức vector
Tích vô hướng 2 vector: 332211 .... BABABABA 
Tích vector:
321
321
321
BBB
AAA
iii
BA
Gradient: (tác động lên vô hướng): 
3
33
2
22
1
11
.
1
.
1
.
1
. i
u
f
h
i
u
f
h
i
u
f
h
ffgrad






  
Divergence:






  )()()(
1
. 321
3
213
2
132
1321
Ahh
u
Ahh
u
Ahh
uhhh
AAdiv
0
.
lim S
V
AdS
divA
V
Toán tử Laplace:
Tác động lên vô hướng: 2. .f f f div grad f   
Tác động lên vector: AAA
    )..(
Curl:
332211
321
332211
321
1
AhAhAh
uuu
ihihih
hhh
AArotAcurl






  
0
.
. lim ln
S
Adl
curlA i
S
IV.BỨC XẠ ĐIỆN TỪ 
• Từ những vùng có điện tích hay dòng điện biến thiên có thể bức xạ sóng 
điện từ lan truyền trong không gian. Các vùng có điện tích hay dòng điện 
biến thiên đó gọi là nguồn bức xạ. 
• Chúng ta chỉ xét trường điện từ biến thiên điều hoà với tần số ω . Các đại 
lượng của trường được biểu diễn bằng các biên độ phức. 
• Thông thường, để xác định trường bức xạ, chúng ta phải giải phương trình 
sóng để tìm thế vector A . Các vector điện trường và từ trường được suy ra 
từ thế vector nay.
Phương trình sóng: 2A k A J 
2
k
v
 

 Với: 
1
 v
Nghiệm phương trình này:
'
1 ( ').
( ) '
4
jkR
V
J r e
A r dv
R 
V’
'
1 ( ').
( ) '
4
jkR
V
J r e
A r dv
R 
'
',
1
( , ) '
4
V
R
J r t
v
A r t dv
R 
1,
',
1
( , ) .
4
i
i N i
R
J r t
v
A r t v
R 
 
 1 'J r
 2 'J r
 3 'J r
1 'r 2
'r
3 'r
r
M
y
x
z
1R
2R
3R
C’
'
1 ( ').
( ) '
4
jkR
C
I r e
A r dl
R 
Nếu nguồn là dòng điện phân bố dài trên một đoạn cong C’, với dòng 
điện thì nghiệm trở thành: )'(rI
• Bức xạ điện từ của nguyên tố anten thẳng
'1 .
'.
4
jkR
z
C
I e
A dl i
R 
. .
'
. .
1 .
'.
4
.
. . .
4 .
j k r
z
C
j k r
z z z
I e
A dl i
r
l I
e i A i
r
 iAiAA rr
.. 
. .
. .
.
.cos . .cos
4 .
.
.sin . .sin
4 .
j k r
r z
j k r
z
l I
A A e
r
l I
A A e
r

 
 
H A rotA  
 iHH
. 
Công suất bức xạ:
Một số nhận xét:
1) Từ biểu thức: với rr itPtP
.)()( 0)( tPr
Như vậy ở miền xa năng lượng điện từ luôn luôn 
truyền từ nguồn ra không gian chung quanh 
theo hướng vector .ri
2) Từ biểu thức:
2
. . . .. . . . .sinsin . .
4 . 2. .
j k r j k rI l k j j I lH e e
k r r



 
 
 
Hze
r
klIj
E C
rkj ..sin.
.4
... ..
2
Suy ra : các vector E, H cùng pha, vuông 
góc với nhau và vuông góc với 
phương truyền ri
3) Biên độ của E, H tỉ lệ nghịch với khoảng cách r. Còn mật độ 
công suất bức xạ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r.
Suy ra Các mặt đẳng pha E, H là các mặt cầu có bán kính r=const
5) Từ biểu thức:
22
3
..

 lIz
P mCbx
Công suất bức xạ tỉ lệ nghịch với bình phương bước sóng (tức tỉ lệ thuận với 
bình phương tần số f. Công suất bức xạ càng lớn khi tần số càng cao.
4) Từ biểu thức: )
2
..cos(
.2
sin..
)(



 rkt
r
lI
tH m )(.)( tHztE C  
6) Từ biểu thức:
2
. . . .. . . . .sinsin . .
4 . 2. .
j k r j k rI l k j j I lH e e
k r r



 
 
 
Hze
r
klIj
E C
rkj ..sin.
.4
... ..
2
Các nhận xét 1, 2, 3, 4 được rút ra đối với nguyên tố anten thẳng , nhưng có 
thể chứng minh rằng chúng cũng đúng với nguồn bức xạ phân bố bất kỳ.