Ăng-ten

Ăng-ten (xuất phát từ tiếng Pháp antenne /ɑ̃tεn/; tiếng Anh: antenna) là thiết bị điện tử có khả năng phát xạ hoặc thu nhận sóng điện từ. Có nhiều loại ăng-ten như ăng-ten lưỡng cực, ăng-ten mảng, ăng-ten đẳng hướng, và ăng-ten định hướng... Trong hệ thống thông tin vô tuyến, ăng-ten có hai chức năng chính. Chức năng chính là phát sóng RF từ máy phát dưới dạng sóng vô tuyến hoặc chuyển đổi sóng vô tuyến thành tín hiệu RF để xử lý ở máy thu. Chức năng phụ là định hướng năng lượng bức xạ theo một hoặc nhiều hướng mong muốn, hoặc nhận tín hiệu từ một hoặc nhiều hướng còn lại, thường không được nhận diện. Đặc trưng định hướng của ăng-ten cho phép hiểu cách ăng-ten hoạt động trong hệ thống vô tuyến. Các đặc trưng này bao gồm tăng ích, tính định hướng, mẫu bức xạ, và phân cực. Các yếu tố khác như búp sóng, độ dài hiệu dụng, và góc mở hiệu dụng được suy ra từ các đặc trưng cơ bản. Trở kháng đầu cuối (đầu vào) là một yếu tố cơ bản khác, giúp kết hợp hiệu quả công suất của máy phát với ăng-ten hoặc công suất từ ăng-ten vào máy thu. Tất cả các đặc trưng này phụ thuộc vào tần số.

Cách hoạt động và định hướng của Ăng-ten

Hoạt động của ăng-ten là đo cường độ bức xạ theo một hướng nhất định so với cường độ bức xạ khi ăng-ten phát tất cả công suất RF một cách đồng đều theo mọi hướng. Định nghĩa này yêu cầu khái niệm về vật bức xạ đẳng hướng, tức là vật phát sóng với công suất giống nhau ở tất cả các hướng. Ví dụ về nguồn không định hướng là âm thanh và ánh sáng, đôi khi gọi là nguồn điểm. Mặc dù ăng-ten đẳng hướng chỉ là lý thuyết, nhưng nó là tiêu chuẩn quan trọng với tăng ích đồng nhất ở mọi hướng (g = 1 hoặc G = 0 dB), do đó toàn bộ công suất đều được phát xạ đồng đều.

Mặc dù ăng-ten thường được so sánh với lưỡng cực như một nền tảng tham chiếu cho tăng ích, nhưng lưỡng cực nửa bước sóng chuẩn là tham chiếu phổ biến hơn. Tăng ích của lưỡng cực này là 1.64 (G = 2.15 dB) so với một vật phát xạ đẳng hướng. Tăng ích của ăng-ten thường được đo bằng đơn vị đề-xi-ben (dB). Khi tham chiếu đến vật bức xạ đẳng hướng, đơn vị là dBi; khi tham chiếu đến lưỡng cực nửa sóng, đơn vị là dBd. Mối quan hệ giữa hai đơn vị này là:

GdBd = GdBi – 2,15 dB

Directivity tương tự như tăng ích nhưng có sự khác biệt chính. Directivity không tính đến các ảnh hưởng của bản thân ăng-ten. Tăng ích dựa trên công suất được cung cấp cho ăng-ten, trong khi một phần công suất có thể bị mất do các yếu tố như tổn hao nhiệt của các phần tử và dòng rò qua lớp điện môi. Nếu ăng-ten không có tổn hao (hiệu suất 100%), tăng ích và directivity (theo một hướng nhất định) có thể bằng nhau.

Mẫu bức xạ

Mẫu bức xạ (hay còn gọi là mẫu ăng-ten) là biểu đồ mô tả tăng ích của ăng-ten theo tất cả các hướng. Đây là một mô tả ba chiều của mật độ công suất, khó khăn trong việc biểu diễn và sử dụng. Thông thường, mẫu bức xạ được biểu diễn dưới dạng hình cắt. Ví dụ, hình 1 thể hiện mẫu bức xạ của một lưỡng cực nửa bước sóng ngang ở mặt cắt ngang và mặt cắt dọc. Trong hình, mẫu mặt cắt ngang cho thấy ăng-ten có tăng ích hằng số theo góc ngang, trong khi mẫu mặt cắt dọc cho thấy ăng-ten có tăng ích cực đại theo phương ngang và không phát xạ theo trục của ăng-ten. Thường thì hướng không được chỉ rõ khi tham khảo tăng ích của ăng-ten, vì vậy hướng của tăng ích được coi là hướng bức xạ cực đại của ăng-ten. Do đó, mẫu kết hợp sẽ thể hiện các giá trị liên quan đến tăng ích cực đại.

Bụng và nút

Trong mẫu ăng-ten, các vùng với tăng ích cực đại được gọi là bụng, trong khi các vùng với tăng ích cực tiểu được gọi là nút. Mặt cắt đứng của lưỡng cực nửa sóng có hai bụng sóng và hai nút. Ví dụ thêm về các mẫu ăng-ten phức tạp có thể có nhiều bụng và nút ở cả mặt cắt đứng và ngang. Bụng sóng có tăng ích cao nhất được gọi là bụng sóng chính hoặc tia chính của ăng-ten. Nếu ăng-ten có một giá trị tăng ích duy nhất, đó là bụng sóng chính hoặc tăng ích tia chính.

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

Sự phân cực của ăng-ten

Sự phân cực có nhiều ý nghĩa. Đúng hơn, nó là sự định hướng của các véc tơ trường điện từ E tại các điểm trong không gian. Nếu véc tơ E giữ nguyên hướng ở mọi điểm trong không gian thì đó là phân cực tuyến tính; nếu véc tơ E quay trong không gian, đó là phân cực tròn hoặc elip. Thường thì sóng bức xạ có phân cực tuyến tính, theo chiều đứng hoặc ngang. Tại khoảng cách lớn (khoảng 10 lần bước sóng) so với ăng-ten, sóng trường xa có thể được coi là sóng phẳng.

Khái niệm phân cực thường được áp dụng cho ăng-ten. Đối với ăng-ten, phân cực của nó là phân cực của sóng phẳng mà nó phát ra. Theo nguyên lý thuận nghịch, điều này cũng áp dụng cho các ăng-ten thu. Ví dụ, nếu một ăng-ten thu có phân cực đứng, thì sóng đầu vào với phân cực đứng sẽ đạt hiệu quả tối đa với ăng-ten đó. Nếu sóng đầu vào có phân cực khác, chỉ thành phần đứng mới được ăng-ten phát hiện. Một cách lý tưởng, sóng đầu vào phân cực ngang sẽ không được thu bởi ăng-ten phân cực đứng. Phân cực đứng chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng LMR (Land Mobile Radio).

Trở kháng đầu cuối của ăng-ten

Có ba loại trở kháng liên quan đến ăng-ten: trở kháng đầu cuối của ăng-ten, trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn, và trở kháng sóng.

Trở kháng đầu cuối được xác định là tỷ số giữa điện áp và dòng điện tại điểm kết nối của ăng-ten (nơi đường truyền dẫn được kết nối). Trở kháng đầu cuối được biểu diễn toán học như sau:

Z = V/I$Z=U÷<!--\; ÷\; -->I$

Khi 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 nhất định. Các đại lượng này có thể được biểu diễn dưới dạng số phức, bao gồm phần thực và phần ảo. Các số phức này cũng có thể được thể hiện bằng cường độ và góc pha, gọi là ký hiệu phasor.

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

Z = R + jX

Trong đó, R là thành phần trở thuần (thực), còn X là thành phần kháng (ảo).

Để đạt hiệu quả phối hợp năng lượng tối ưu giữa ăng-ten và đường truyền dẫn, trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn cần phải bằng với trở kháng đầu cuối của ăng-ten và không có thành phần kháng. Khi đó, ăng-ten được coi là đồng bộ trở kháng với đường truyền dẫn.

Để đảm bảo sự phối hợp trở kháng, các ăng-ten thường được thiết kế với trở kháng đầu cuối là 50 ohm hoặc 75 ohm, phù hợp với các loại cáp đồng trục thông dụng. Trong một số trường hợp, việc giảm thành phần kháng đến mức không thể là điều không thể thực hiện được. Khi đó, một mạng phối hợp trở kháng thường được tích hợp vào ăng-ten nhằm điều chỉnh thành phần trở kháng của nó, giúp phối hợp tốt hơn với đường truyền dẫn. Thành phần trở thuần R của trở kháng đầu cuối là tổng của hai thành phần và được đo bằng đơn vị ohm.

R = Rr + Rd

Điện trở bức xạ Rr thể hiện 'Tải hiệu dụng' của ăng-ten, tức là công suất được bức xạ dưới dạng sóng điện từ, trong khi điện trở tổn hao Rd biểu thị tải nơi công suất bị mất. Hiệu suất của ăng-ten được tính bằng tỷ lệ giữa công suất bức xạ và tổng công suất cung cấp cho ăng-ten, và được biểu diễn như sau:

Hiệu suất = I2.Rr/I2.R = Rr/R.

Công suất hao phí chủ yếu đến từ tổn hao trở thuần (dưới dạng nhiệt) trong các phần tử của ăng-ten, dòng dò qua lớp điện môi, và các yếu tố tương tự. Hơn nữa, hiệu suất của ăng-ten cũng có thể được biểu diễn dưới dạng tỷ lệ giữa tăng ích và tính định hướng (theo một hướng cụ thể).

Hệ số sóng đứng điện áp

Hệ số sóng đứng (SWR), hay còn gọi là tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR), không phải là đặc trưng trực tiếp của ăng-ten, nhưng dùng để đánh giá khả năng làm việc của ăng-ten khi kết nối với đường truyền dẫn. Nó cho biết mức độ phù hợp giữa trở kháng đầu cuối của ăng-ten và trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn. Cụ thể, VSWR là tỷ lệ giữa điện áp RF cực đại và điện áp RF cực tiểu dọc theo đường truyền dẫn.

Khi trở kháng của ăng-ten không có thành phần kháng (ảo) và thành phần trở thuần (thực) khớp với trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn, chúng sẽ được phối hợp tốt. Trong trường hợp này, không có tín hiệu RF nào bị phản xạ lại tại đầu cuối của ăng-ten và trên đường truyền dẫn không có sóng đứng. VSWR lúc này là 1. Nếu ăng-ten và đường truyền dẫn không khớp, một phần của tín hiệu RF gửi tới ăng-ten sẽ bị phản xạ lại, tạo ra sóng đứng với các điểm cực đại và cực tiểu dọc theo đường dây. Trong trường hợp này, VSWR sẽ lớn hơn 1.

VSWR có thể được đo dễ dàng bằng thiết bị gọi là đồng hồ SWR. Thiết bị này được gắn vào đường truyền dẫn và đo giá trị VSWR. Khi VSWR là 1.5, khoảng 4% công suất tới ăng-ten bị phản xạ lại. Với VSWR là 2.0, khoảng 11% công suất bị phản xạ lại. Các giá trị VSWR từ 1.1 đến 1.5 được coi là xuất sắc, từ 1.5 đến 2.0 là tốt, và giá trị trên 2.0 có thể không chấp nhận được.

Như đã đề cập, việc phối hợp trở kháng giữa ăng-ten và đường truyền dẫn chỉ có thể đạt được tại một tần số cụ thể. Trong thực tế, ăng-ten có thể hoạt động trên một dải tần số, và trở kháng đầu cuối của nó sẽ thay đổi theo dải tần đó. Trong thông số kỹ thuật của ăng-ten, trở kháng ở các tần số trong dải tần sẽ được nêu rõ hoặc VSWR theo tần số sẽ được chỉ ra.

Chiều dài hiệu dụng và diện tích hiệu dụng

Chiều dài hiệu dụng và diện tích hiệu dụng (hay còn gọi là góc mở hiệu dụng) là những cách khác để biểu diễn tăng ích của ăng-ten. Những đặc trưng này đặc biệt hữu ích và có ý nghĩa nhất khi ăng-ten được sử dụng để thu tín hiệu. Theo nguyên lý thuận nghịch, các đặc trưng này cũng áp dụng nếu ăng-ten được dùng để phát tín hiệu.

Chiều dài hiệu dụng mô tả khả năng của ăng-ten trong việc tạo ra điện áp tại đầu cuối từ trường điện từ đến. Nó được định nghĩa là:

Le = V/E

Trong đó Le là chiều dài hiệu dụng (đơn vị là mét), V là điện áp hở mạch (đơn vị là volt), và E là cường độ trường (đơn vị là volt/mét). Định nghĩa này giả định rằng sự phân cực của trường đến và ăng-ten là giống nhau. Chiều dài hiệu dụng cũng có thể được tính dựa trên tăng ích và điện trở bức xạ.

Diện tích hiệu dụng, hay còn gọi là góc mở hiệu dụng, thường được sử dụng hơn so với chiều dài hiệu dụng. Định nghĩa của nó như sau:

Ae = Pr/P

Trong đó Pr là công suất tại đầu cuối của ăng-ten (đơn vị là watt), còn P là mật độ công suất của sóng tới (đơn vị là watt/mét vuông). Mối liên hệ giữa diện tích hiệu dụng và tăng ích được biểu thị như sau:

Băng thông

Băng thông là khoảng dải tần số mà trong đó hiệu suất của ăng-ten vẫn nằm trong mức chấp nhận được. Nói cách khác, một hoặc nhiều đặc trưng như tăng ích, mẫu, và trở kháng đầu cuối phải nằm trong các giá trị chấp nhận được trong khoảng băng thông. Đối với phần lớn các ăng-ten, tăng ích và mẫu ít thay đổi với tần số so với trở kháng đầu cuối, do đó thường được dùng để mô tả băng thông của ăng-ten.

VSWR đo lường tác động của việc không đồng bộ giữa trở kháng đầu cuối của ăng-ten và trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn. Do trở kháng đặc trưng của đường truyền dẫn thường không thay đổi theo tần số, VSWR là một chỉ số hữu ích để đánh giá ảnh hưởng của trở kháng đầu cuối và băng thông của ăng-ten. Các loại ăng-ten như lưỡng cực nửa sóng có băng thông hạn chế, trong khi các ăng-ten như log-periodic được thiết kế để có băng thông rộng hơn.