Hình ảnh một ăngten yagi
Ăng-ten (bắt nguồn từ tiếng Pháp antenne /ɑ̃tεn/;[1] tiếng Anh: antenna), là một linh kiện điện tử có thể bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ. Có nhiều loại ăngten: ăngten lưỡng cực, ăngten mảng, ăngten đẳng hướng, ăngten định hướng…
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, ăng-ten có hai chức năng cơ bản. Chức năng chính là để bức xạ các tín hiệu RF từ máy phát dưới dạng sóng vô tuyến hoặc để chuyển đổi sóng vô tuyến thành tín hiệu RF để xử lý ở máy thu. Chức năng khác của ăngten là để hướng năng lượng bức xạ theo một hay nhiều hướng mong muốn, hoặc “cảm nhận” tín hiệu thu từ một hay nhiều hướng mong muốn còn các hướng còn lại thường bị khóa lại. Về mặt đặc trưng hướng của ăngten thì có nghĩa là sự nén lại của sự phát xạ theo các hướng không mong muốn hoặc là sự loại bỏ sự thu từ các hướng không mong muốn. Các đặc trưng hướng của một ăng-ten là nền tảng để hiểu ăng-ten được sử dụng như thế nào trong hệ thống thông tin vô tuyến. Các đặc trưng có liên hệ với nhau này bao gồm Tăng ích, tính định hướng, mẫu bức xạ (ăng-ten), và phân cực. Các đặc trưng khác như búp sóng, độ dài hiệu dụng, góc mở hiệu dụng được suy ra từ bốn đặc trưng cơ bản trên. Trở kháng đầu cuối (đầu vào) là một đặc trưng cơ bản khác khá quan trọng. Nó cho ta biết trở kháng của ăng-ten để kết hợp một cách hiệu quả công suất đầu ra của máy phát với ăng-ten hoặc để kết hợp một cách hiệu quả công suất từ ăng-ten vào máy thu. Tất cả các đặc trưng ăngten này đều là một hàm của tần số.
Tăng ích và tính khuynh hướng của Ăng-ten[sửa|sửa mã nguồn]
Tăng ích của một ăng-ten là cường độ bức xạ theo hướng đã cho chia cho cường độ bức xạ có được khi ăng-ten bức xạ toàn bộ hiệu suất RF và được phân phối bằng nhau theo mọi hướng. Chú ý rằng định nghĩa này về tăng ích nhu yếu khái niệm về vật bức xạ đẳng hướng, có nghĩa là, một vật mà phát xạ cùng một hiệu suất theo mọi hướng. Những ví dụ về một nguồn không xu thế là ( tối thiểu cũng xê dịch ) âm thanh và ánh sáng, những nguồn này đôi lúc được gọi là nguồn điểm. Tuy nhiên, một ăng-ten đẳng hướng chỉ là một khái niệm, chính bới thực tiễn, mọi ăngten vô tuyến phải có một vài đặc tính về hướng. Tuy vậy, ăng-ten đẳng hướng là một sự tham chiếu rất quan trọng. Nó có một tăng ích duy nhất theo mọi hướng ( g = 1 hoặc G = 0 dB ), do đó hàng loạt hiệu suất đưa đến nó đều được bức xạ bằng nhau theo mọi hướng .
Mặc dù sự đẳng hướng là một nền tảng tham chiếu cho tăng ích của ăng-ten, nhưng có một tham chiếu khác được thường dùng hơn là lưỡng cực. Trong trường hợp này tăng ích của một lưỡng cực nửa bước sóng chuẩn được dùng. Tăng ích của nó là 1.64 (G = 2.15 dB) so với một vật phát xạ đẳng hướng. Tăng ích của một ăng-ten thường được biểu diễn dưới dạng đề-xi-ben (dB). Khi tăng ích được tham chiếu theo vật bức xạ đẳng hướng thì đơn vị là dBi, nhưng khi tham chiếu theo lưỡng cực nửa sóng, đơn vị được biểu diễn là dBd. Mối quan hệ giữa hai đơn vị là:
GdBd = GdBi – 2,15 dB
Directivity thì tương tự như như Tăng ích, nhưng có một điểm độc lạ. Nó không gồm có những ảnh hưởng tác động của chính nó. Xem lại định nghĩa về tăng ích, ta thấy nó dựa trên cơ sở hiệu suất được đưa tới ăngten. Trong thực tiễn, một phần hiệu suất này bị mất đi do trở thuần của những phần từ ( dưới dạng nhiệt ), và dòng rò qua lớp điện môi, …. Nếu một ăng-ten không có tổn hao ( hiệu suất 100 % ) thì tăng ích và directivity ( theo một hướng cho trước ) hoàn toàn có thể như nhau .
Mẫu bức xạ[sửa|sửa mã nguồn]
Mẫu bức xạ ( hay còn được gọi là Mẫu ăng-ten ) là sự màn biểu diễn lại tăng ích của ăng-ten theo mọi hướng. Do đó, đây là một sự diễn đạt ba chiều của tỷ lệ hiệu suất, rất khó để màn biểu diễn và sử dụng chúng. Cách thường thì để màn biểu diễn hoặc vẽ chúng là theo hình cắt. Hình 1 trình diễn Mẫu bức xạ của một lưỡng cực nửa bước sóng ngang theo mặt cắt ngang và mặt phẳng cắt dọc. Ta hoàn toàn có thể thấy, trong hình này, Mẫu theo mặt cắt ngang không có cấu trúc. Ăng-ten này có tăng ích hằng số theo góc ngang. Mặt khác, mẫu theo mặt cắt dọc cho ta thấy rằng, ăng-ten này có một tăng ích cực lớn theo phương ngang và không phát xạ theo hướng trùng với trục của ăng ten. Thông thường, hướng không được chỉ rõ khi tìm hiểu thêm theo tăng ích của ăng-ten. Trong trường hợp này, giả sử rằng hướng của tăng ích là hướng bức xạ cực lớn – tăng ích cực lớn của ănt-ten. Vì thế, một mẫu tích hợp sẽ màn biểu diễn những giá trị có quan hệ với tăng ích cực lớn. Hình : Mau buc xa. JPGHình 1 : Mẫu bức xạ của một lưỡng cực nửa bước sóng ngang theo mặt cắt ngang và mặt phẳng cắt dọc .
Bụng và nút[sửa|sửa mã nguồn]
Các vùng của một mẫu nơi mà tăng ích có vùng phủ cực lớn 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 hoàn toàn 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 kỹ thuật 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 phẳng cắt đứng hoặc ngang. Có một vài định nghĩa về độ rộng bụng sóng, gồm có Độ rộng nửa hiệu suất hoặc 3 dB, Độ rộng 10 dB, và Độ rộng nút tiên phong. Độ rộng 3 dB là góc lớn nhất mà tăng ích ở đó thấp hơn tăng ích cực lớn 3 dB. Độ rộng nửa hiệu suất hay 3 dB được dùng phổ cập nhất .
Thuật ngữ sự phân cực có một vài ý nghĩa. Một cách đúng mực, đó là sự khuynh hướng của những véc tơ trường điện từ E tại một vài điểm trong khoảng trống. Nếu Véctơ E giữ nguyên sự khuynh hướng của nó tại mỗi điểm trong khoảng trống thì đó là sự phân cực tuyến tính ; Còn nếu nó quay trong khoảng trống, thì đó là sự phân cực tròn hoặc eplip. Trong hầu hết những 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 hoàn toàn có thể được coi là sóng phẳng .Khái niệm về sự phân cực thường được vận dụng cho bản thân 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 tắc thuận nghịch, điều này cũng đúng với những ăng-ten thu. Ví dụ, nếu một ăng-ten thu được phân cực đứng, điều đó có nghĩa là một sóng nguồn vào phân cực đứng sẽ cho đầu ra cực lớn với ăng-ten đó. Nếu sóng nguồn vào được phân cực theo những góc khác, thì chỉ có thành phần đứng mới được phát hiện bởi ăng-ten. Một cách lý tưởng thì một sóng nguồn vào phân cực ngang sẽ trọn vẹn không hề được thu bởi một ăng-ten có phân cực đứng. Sự phân cực đứng được dùng hầu hết trong những ứng dụng LMR ( Land Mobile Radio ) .
Trở kháng đầu cuối của Ăng-ten[sửa|sửa mã nguồn]
Có ba loại trở kháng có tương 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 liên kết của ăng-ten ( điểm mà đường truyền dẫn được nối tới ). Trở kháng đầu cuối được màn biểu diễn toán học dưới dạng :
Z = V/I
Với Z là trở kháng, đơn vị chức năng là Ohm, V là điện áp, đơn vị chức năng là vôn, và I là cường độ dòng điện, đơn vị chức năng ampe, tại đầu cuối của ăng-ten với một tần số cho trước. Mỗi biến này hoàn toàn có thể được màn biểu diễn dưới dạng 1 số ít phức, với phần thực và phần ảo. Các số phức này cũng hoàn toàn có thể màn 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 trình 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, những ăng-ten thường được phong cách thiết kế sao cho trở kháng đầu cuối của chúng là 50 ohm hoặc 75 ohm để hoàn toàn có thể phối hợp trở kháng với những cáp đồng trục thông dụng. Với những ăng-ten khó hoàn toàn có thể vô hiệu ( giảm tới không ) thành phần kháng. Trong trường hợp này, một mạng phối hợp trở kháng thường được sản xuất như một phần của ăng-ten để đổi khác thành phần trở kháng của nó do đó hoàn toàn 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 màn biểu diễn bằng ohm .
R = Rr + Rd.
Điện trở bức xạ Rr là ” Tải hiệu dụng ” trình diễn hiệu suất bức xạ bởi một ăng-ten dưới dạng sóng điện từ, và điện trở tổn hao Rd là tải mà hiệu suất bị mất. Hiệu suất của một ăng-ten là tỉ số giữa hiệu suất bức xạ và tổng hiệu suất được đưa tới ăng-ten. Nó được màn 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 những thành phần của ăng-ten, dòng dò qua những lớp điện môi và những ảnh hưởng tác động tựa như. Hơn nữa, cũng nên quan tâm rằng, hiệu suất của một ăng-ten cũng hoàn toàn có thể được màn biểu diễn dưới dạng tỉ số của tăng ích và tính xu thế ( với một hướng cho trước ) .
Tỉ số sóng đứng ( SWR ), hay còn gọi là điện áp tỉ số sóng đứng ( VSWR ), không đúng chuẩn là một đặc trưng của ăng-ten, nhưng được dùng để miêu tả năng lực tiến hành 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 những điểm cực lớn và điểm cực tiểu sống sót trên đường dây. Trong trường hợp này VSWR có giá trị lớn hơn 1 .VSWR hoàn toàn có thể đo được thuận tiện 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 chừng 4 % hiệu suất tới đầu cuối ăng-ten bị phản xạ lại. Tại giá trị 2.0, khoảng chừng 11 % hiệu 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 những giá trị cao hơn 2.0 hoàn toàn có thể không đồng ý được .Như đã nói ở trên, việc phối hợp trở kháng giữa ăng-ten và đường truyền dẫn chỉ hoàn toàn có thể đặt được tại một tần số đơn. Trong trong thực tiễn, một ăng-ten hoàn toàn có thể được dùng với một dải tần số vào, và trở kháng đầu cuối của nó sẽ đổi khác theo dải tần số đó. Trong thông số kỹ thuật kỹ thuật của ăng-ten, trở kháng của những 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 quy hoạnh hiệu dụng[sửa|sửa mã nguồn]
Độ dài hiệu dụng và diện tích quy hoạnh hiệu dụng ( còn được gọi là góc mở hiệu dụng ) là một cách khác để màn biểu diễn tăng ích của ăng-ten. Các đặc trưng này tiện lợi và ý nghĩa nhất khi ăng-ten được dùng để thu. Đương nhiên là theo nguyên tắc thuận nghịch, những đặc trưng là như nhau nếu ăng-ten được dùng cho việc phát .Chiều dài hiệu dụng định nghĩa năng lực 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 chức năng là mét, V là điện áp hở mạch đơn vị chức năng là von, và E là cường độ trường đơn vị chức năng 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 hoàn toàn có thể được tính từ tăng ích và điện trở bức xạ .Diện tích hiệu dụng, hoặc góc mở hiệu dụng được dùng thông dụng 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 là một dải tần số, trong đó năng lực tiến hành của ăng-ten là gật đầu được. Nói cách khác, một hoặc nhiều đặc trưng ( như tăng ích, mẫu, trở kháng đầu cuối ) có những giá trị gật đầu được giữa số lượng giới hạn của băng thông. Với hầu hết những ăng-ten, tăng ích và mẫu không biến hóa nhiều với tần số như là trở kháng đầu cuối, vì thế thường được dùng để mổ tả băng thông của một ăng-ten .VSWR là giá trị đo sự ảnh hưởng tác động 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 đổi khác với tần số, VSWR là một cách tốt để diễn đạt tác động ảnh hưởng của trở kháng đầu cuối và băng thông của ăng-ten. Lưỡng cực nửa sóng, và những ăng-ten tương tự như có băng thông hẹp. Các ăng-ten khác như log-periodic được phong cách thiết kế có băng rộng .
- ^
Đặng Thái Minh, “Dictionnaire vietnamien – français. Les mots vietnamiens d’origine française”, Synergies Pays riverains du Mékong, n° spécial, năm 2011. ISSN: 2107-6758. Trang 52.
