Điểm chính

• Giản đồ bức xạ của anten thể hiện các đặc tính bức xạ của anten.
• Giản đồ này biểu diễn bức xạ từ anten theo khoảng cách xuyên tâm và vị trí góc so với anten.
• Trong không gian ba chiều, giản đồ bức xạ của một anten đa hướng có hình dạng giống như một chiếc bánh donut.

Anten là một thành phần trung gian giữa hệ thống phát và hệ thống thu. Anten phát sóng điện từ vào không gian (anten phát) hoặc thu tín hiệu từ không gian và truyền đến thiết bị dẫn hướng được kết nối (anten thu). Bức xạ của anten có thể được mô tả bằng nhiều thông số khác nhau như cường độ trường, hướng, độ lợi, pha và hiệu suất bức xạ. Tất cả các thông số này đều ảnh hưởng đến hiệu suất của anten trong các ứng dụng cụ thể.

Hiệu suất của anten có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh các thông số của nó. Các kỹ sư có thể xác định những thông số cần điều chỉnh bằng cách xem xét giản đồ bức xạ của anten, là biểu diễn trực quan đặc tính bức xạ điện từ của anten.

Bức xạ của anten

Khả năng phát và thu sóng điện từ là một đặc tính quan trọng của anten. Trong một số hệ thống truyền và nhận tín hiệu, cùng một anten có thể thực hiện cả hai chức năng, vừa truyền vừa thu tín hiệu.

Đối với anten phát, một điện áp có tần số xác định được đặt vào anten. Điện áp và dòng điện trong anten tạo ra điện trường và từ trường. Các trường điện từ này sau đó lan truyền vào không gian tự do.

Đối với anten thu, trường điện từ tương tác với anten và tạo ra điện áp, dòng điện trong các phần tử của anten. Anten thu sau đó hoạt động như một nguồn tín hiệu cho thiết bị dẫn hướng được kết nối.

Giản đồ bức xạ của anten

Ở cả anten phát và anten thu, năng lượng bức xạ có sự phân bố khác nhau theo hướng, thường được gọi là giản đồ bức xạ của anten. Giản đồ bức xạ của anten là biểu diễn toán học về sự phân bố năng lượng bức xạ theo các hướng khác nhau của sóng điện từ.

Giản đồ bức xạ giúp các kỹ sư hiểu được đặc tính và hiệu suất của anten. Những giản đồ này rất quan trọng đối với nhiều loại ứng dụng anten vì chúng cung cấp thông tin về sự phân bố năng lượng điện từ trong một khu vực nhất định. Điều này giúp xác định loại anten phù hợp và hướng đặt anten. Dựa trên giản đồ, có thể định hướng anten theo các hướng khác nhau và quan sát đặc tính hoạt động của anten theo từng hướng. Đây là một đặc tính quan trọng của anten được xem xét khi xác định tần số hoạt động và các thông số thiết kế của anten.

Giản đồ bức xạ của anten thể hiện các đặc tính bức xạ của anten, bao gồm:

• Cường độ bức xạ – Cường độ bức xạ rất quan trọng trong thiết kế anten vì nó biểu thị công suất bức xạ trên một đơn vị góc khối.
• Mật độ thông lượng công suất – Bằng cách xem xét giản đồ bức xạ, các kỹ sư có thể xác định hướng có mật độ thông lượng công suất lớn nhất và định hướng anten theo hướng đó.
• Tính định hướng – Nếu hướng của anten không được xác định rõ ràng, hướng có cường độ bức xạ cực đại có thể được sử dụng để định hướng anten. Tính định hướng mô tả mức độ tập trung bức xạ của anten theo một hướng nhất định so với anten đẳng hướng.
• Băng thông – So sánh các giản đồ bức xạ của anten được đo tại các tần số khác nhau có thể cung cấp thông tin về dải tần mà anten hoạt động hiệu quả.
• Cường độ trường – Cường độ trường của anten theo các hướng khác nhau tại một khoảng cách cố định có thể được xác định từ giản đồ bức xạ. Thông tin này có thể được sử dụng để so sánh phạm vi truyền của các anten khác nhau tại những khoảng cách nhất định.
• Phân cực – Để truyền công suất tối đa, phân cực của anten phát và anten thu phải phù hợp với nhau. Sự không phù hợp về phân cực có thể được đánh giá từ đặc tính bức xạ và phân cực của anten phát và anten thu.
• Pha – Pha của sóng điện từ do anten phát ra ảnh hưởng đến đặc tính của giản đồ bức xạ. Việc đo pha đặc biệt quan trọng trong các hệ thống sử dụng điều khiển điện tử thay cho cơ cấu quét cơ học của anten.
• Hiệu suất bức xạ – Thông số này đặc biệt hữu ích khi đánh giá anten phát và thu, vì nó cho biết tỷ lệ công suất được cung cấp cho anten được chuyển thành công suất bức xạ.
• Độ lợi – Độ lợi của anten là đại lượng dùng để so sánh khả năng bức xạ của anten đang xét với anten tham chiếu, thường là anten đẳng hướng, theo một hướng nhất định. Các kỹ sư có thể sử dụng thông số này để đánh giá độ lợi của anten so với anten tham chiếu.
• Khẩu độ hiệu dụng – Khả năng thu năng lượng của anten có thể được đánh giá thông qua khẩu độ hiệu dụng. Thông số này liên quan đến diện tích hiệu dụng mà anten sử dụng để thu công suất từ sóng điện từ tới.

Giản đồ bức xạ của anten là một hàm của tọa độ không gian. Tuy nhiên, đối với các anten được sử dụng trong hệ thống thông tin liên lạc không dây, giản đồ bức xạ thường được xác định ở một khoảng cách đủ xa, trong đó nó gần như không phụ thuộc vào khoảng cách từ anten. Thông thường, hệ tọa độ cầu được sử dụng để biểu diễn giản đồ bức xạ của anten. Anten được coi là nằm tại gốc tọa độ của hệ thống. Bức xạ từ anten được biểu diễn dưới dạng hàm của khoảng cách xuyên tâm và các vị trí góc so với anten.

Dạng công suất và dạng biên độ trường

Giản đồ công suất biểu diễn mức công suất bức xạ theo các hướng tại một khoảng cách không đổi từ anten, trong khi giản đồ biên độ trường biểu diễn biên độ của điện trường hoặc từ trường theo các hướng tại một khoảng cách không đổi.

Thông thường, giản đồ công suất được biểu diễn theo bình phương biên độ điện trường hoặc từ trường, trong khi giản đồ trường được biểu diễn trực tiếp theo biên độ điện trường hoặc từ trường. Trong cả giản đồ công suất và giản đồ trường, các đại lượng có thể được biểu diễn theo góc trên thang logarit.

Các dạng giản đồ bức xạ của anten

Giản đồ bức xạ của anten là một biểu diễn ba chiều và có thể được tách thành các biểu diễn hai chiều bằng cách cắt giản đồ ba chiều theo các mặt phẳng ngang và dọc. Các giản đồ thu được thường được gọi là giản đồ phương vị và giản đồ độ cao.

Một số dạng giản đồ bức xạ anten phổ biến gồm:

• Giản đồ đa hướng – Trong không gian 3D, giản đồ bức xạ đa hướng thường có hình dạng giống như một chiếc bánh donut; trong không gian 2D, nó có dạng hình số tám. Dạng bức xạ này phân bố tương đối đồng đều theo một mặt phẳng nhất định, mang lại khả năng bao phủ một khu vực rộng lớn. Cần phân biệt giản đồ đa hướng với giản đồ đẳng hướng, vì anten đẳng hướng là một mô hình lý tưởng dùng làm tham chiếu.
• Giản đồ hình quạt – Giản đồ có dạng giống như một chiếc quạt. Dạng này thường được sử dụng trong radar quốc phòng, radar hàng hải và các hệ thống radar tầm xa, siêu tầm xa.
• Giản đồ chùm tia bút chì – Giản đồ này có một chùm tia hẹp, sắc nét và có tính định hướng cao, giống như hình dạng của một chiếc bút chì. Nếu cần một anten có độ định hướng cao, anten có giản đồ chùm tia bút chì là một lựa chọn phù hợp.
• Giản đồ chùm tia định hình – Bất kỳ giản đồ bức xạ nào được thiết kế với hình dạng chùm tia cụ thể để bao phủ một khu vực xác định đều có thể được gọi là giản đồ chùm tia định hình. Anten có chùm tia định hình thường được sử dụng khi cần tập trung bức xạ vào một khu vực địa lý cụ thể.

Các đặc tính của anten có thể được xác định bằng cách xem xét giản đồ bức xạ của anten. Bằng cách phân tích các thông số anten từ giản đồ bức xạ, các kỹ sư có thể điều chỉnh hoặc thay đổi thiết kế anten để đáp ứng yêu cầu của từng ứng dụng, chẳng hạn như cường độ trường, tính định hướng, hiệu suất bức xạ và các thông số khác. Phần mềm Cadence cung cấp các công cụ mô phỏng điện từ cho phép các kỹ sư phân tích và thiết kế anten.