Một tham số hữu ích để tính toán công suất thu của ăng-ten làdiện tích hiệu dụnghoặckhẩu độ hiệu dụng. Giả sử một sóng phẳng có cùng độ phân cực với ăng-ten thu chiếu tới ăng-ten. Giả sử sóng truyền về phía ăng-ten theo hướng bức xạ cực đại của ăng-ten (hướng mà công suất thu được lớn nhất).
Sau đókhẩu độ hiệu dụngtham số mô tả lượng công suất được thu được từ một sóng phẳng nhất định. Hãyplà mật độ công suất của sóng phẳng (tính bằng W/m^2). NếuP_tbiểu thị công suất (tính bằng Watt) tại các đầu cuối ăng-ten có sẵn cho bộ thu của ăng-ten, sau đó:
Do đó, diện tích hiệu dụng chỉ đơn giản biểu thị lượng công suất được thu từ sóng phẳng và được ăng-ten truyền đi. Diện tích này bao gồm cả các tổn thất nội tại của ăng-ten (tổn thất ômi, tổn thất điện môi, v.v.).
Mối quan hệ chung cho khẩu độ hiệu dụng theo mức tăng ăng-ten cực đại (G) của bất kỳ ăng-ten nào được đưa ra bởi:
Khẩu độ hiệu dụng hoặc diện tích hiệu dụng có thể được đo trên ăng-ten thực tế bằng cách so sánh với ăng-ten đã biết có khẩu độ hiệu dụng nhất định hoặc bằng cách tính toán sử dụng độ lợi đã đo và phương trình trên.
Khẩu độ hiệu dụng sẽ là một khái niệm hữu ích để tính toán công suất thu được từ sóng phẳng. Để xem ví dụ thực tế, hãy xem phần tiếp theo về công thức truyền dẫn Friis.
Phương trình truyền Friis
Trên trang này, chúng tôi giới thiệu một trong những phương trình cơ bản nhất trong lý thuyết ăng-ten,Phương trình truyền Friis. Phương trình truyền dẫn Friis được sử dụng để tính toán công suất nhận được từ một ăng-ten (với độ lợiG1), khi được truyền từ một ăng-ten khác (với độ lợiG2), cách nhau một khoảng cáchRvà hoạt động ở tần sốfhoặc bước sóng lambda. Trang này đáng để đọc vài lần và bạn sẽ hiểu đầy đủ.
Đạo hàm của công thức truyền Friis
Để bắt đầu suy ra Phương trình Friis, hãy xem xét hai ăng-ten trong không gian trống (không có vật cản nào ở gần) cách nhau một khoảngR:
Giả sử rằng tổng công suất ( )Watt được truyền đến ăng-ten phát. Hiện tại, giả sử ăng-ten phát là đa hướng, không mất dữ liệu, và ăng-ten thu nằm trong trường xa của ăng-ten phát. Khi đó, mật độ công suấtp(tính bằng Watt trên mét vuông) của sóng phẳng chiếu tới ăng-ten thu một khoảng cáchRtừ ăng-ten phát được đưa ra bởi:
Hình 1. Anten phát (Tx) và anten thu (Rx) được phân tách bằngR.
Nếu ăng-ten phát có độ lợi ăng-ten theo hướng của ăng-ten thu được cho bởi ( ) , thì phương trình mật độ công suất ở trên trở thành:
Hệ số khuếch đại tính đến tính định hướng và suy hao của một anten thực. Giả sử anten thu có khẩu độ hiệu dụng được cho bởi( ). Khi đó công suất mà anten này nhận được ( ) được đưa ra bởi:
Vì khẩu độ hiệu dụng cho bất kỳ ăng-ten nào cũng có thể được biểu thị như sau:
Công suất nhận được có thể được viết như sau:
Phương trình 1
Công thức này được gọi là Công thức Truyền dẫn Friis. Nó liên hệ giữa suy hao đường truyền không gian tự do, độ lợi ăng-ten và bước sóng với công suất thu và phát. Đây là một trong những phương trình cơ bản trong lý thuyết ăng-ten và cần được ghi nhớ (cũng như phép suy luận ở trên).
Một dạng hữu ích khác của Phương trình truyền dẫn Friis được đưa ra trong Phương trình [2]. Vì bước sóng và tần số f liên quan đến tốc độ ánh sáng c (xem phần giới thiệu về trang tần số), chúng ta có Công thức truyền dẫn Friis theo tần số:
Phương trình 2
Phương trình [2] cho thấy công suất bị mất nhiều hơn ở tần số cao hơn. Đây là một kết quả cơ bản của Phương trình Truyền dẫn Friis. Điều này có nghĩa là đối với các ăng-ten có độ lợi xác định, năng lượng truyền đi sẽ cao nhất ở tần số thấp hơn. Chênh lệch giữa công suất nhận được và công suất truyền đi được gọi là suy hao đường truyền. Nói cách khác, Phương trình Truyền dẫn Friis cho thấy suy hao đường truyền cao hơn ở tần số cao hơn. Tầm quan trọng của kết quả này từ Công thức Truyền dẫn Friis không thể được cường điệu hóa. Đây là lý do tại sao điện thoại di động thường hoạt động ở tần số dưới 2 GHz. Có thể có nhiều phổ tần hơn ở tần số cao hơn, nhưng suy hao đường truyền đi kèm sẽ không cho phép thu sóng chất lượng. Một hệ quả khác của Phương trình Truyền dẫn Friis, giả sử bạn được hỏi về ăng-ten 60 GHz. Lưu ý rằng tần số này rất cao, bạn có thể nói rằng suy hao đường truyền sẽ quá cao đối với liên lạc tầm xa - và bạn hoàn toàn đúng. Ở tần số rất cao (60 GHz đôi khi được gọi là vùng mm (sóng milimet)), suy hao đường truyền rất lớn, do đó chỉ có thể liên lạc điểm-điểm. Điều này xảy ra khi máy thu và máy phát ở cùng một phòng và đối diện nhau. Một hệ quả khác của Công thức Truyền dẫn Friis, bạn có nghĩ rằng các nhà mạng di động hài lòng với băng tần LTE (4G) mới, hoạt động ở tần số 700 MHz không? Câu trả lời là có: đây là tần số thấp hơn tần số hoạt động thông thường của ăng-ten, nhưng từ Phương trình [2], chúng ta thấy rằng suy hao đường truyền do đó cũng sẽ thấp hơn. Do đó, họ có thể "phủ sóng rộng hơn" với phổ tần này, và một giám đốc điều hành của Verizon Wireless gần đây đã gọi đây là "phổ tần chất lượng cao", chính xác là vì lý do này. Ghi chú bên lề: Mặt khác, các nhà sản xuất điện thoại di động sẽ phải lắp một ăng-ten có bước sóng lớn hơn vào một thiết bị nhỏ gọn (tần số thấp hơn = bước sóng lớn hơn), vì vậy công việc của nhà thiết kế ăng-ten trở nên phức tạp hơn một chút!
Cuối cùng, nếu các ăng-ten không khớp phân cực, công suất thu được ở trên có thể được nhân với Hệ số Mất Phân cực (PLF) để tính toán chính xác sự không khớp này. Phương trình [2] ở trên có thể được sửa đổi để tạo ra Công thức Truyền dẫn Friis tổng quát, bao gồm cả sự không khớp phân cực:
Phương trình 3
Thời gian đăng: 08-01-2024

