Thứ Sáu, 30 tháng 8, 2013

LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN

Cơ bản về Anten
IEEE định nghĩa anten là “phần của hệ thống truyền hay nhận được thiết kế để bức xạ hay nhận sóng điện từ”. Nói cách khác, anten lấy tín hiệu RF (được sinh ra bởi radio) và bức xạ nó vào trong không khí hay anten có thể nhận sóng điện từ cho radio.

Một khái niệm quan trọng cần phải biết là anten đẳng hướng (hay bức xạ đẳng hướng - isotropic). Theo phương diện toán học, đây là trường hợp lý tưởng khi một anten không bị suy hao (lossless anten) phát ra tín hiệu theo mọi hướng một cách bằng nhau. Xét một hình cầu và bộ bức xạ đẳng hướng nằm ở trung tâm của hình cầu, lúc đó trường điện từ sẽ bằng nhau ở tất cả các điểm trên bề mặt hình cầu. Anten đẳng hướng là một điểm tham chiếu hữu ích khi chúng ta xem xét các loại anten khác nhau.

1. Những thuộc tính của anten

Để có thể chọn lựa được anten đúng đắn thì điều quan trọng là bạn phải hiểu được một số thuộc tính mô tả về anten. Chúng bao gồm dạng bức xạ của anten, hướng tính của anten, độ lợi, trở kháng đầu vào, sự phân cực, và bandwidth.

Hướng tính của anten (directivity of anten)

Hướng tính của anten mô tả cường độ của một bức xạ theo một hướng xác định tương ứng với cường độ bức xạ trung bình hay nói cách khác, nó cho biết mật độ công suất bức xạ tương ứng với công suất bức xạ được phân tán một cách đồng dạng.

Độ lợi (gain)

Gain cũng diễn tả cùng một khái niệm như directivity nhưng nó còn bao gồm cả sự mất mát (về công suất) của chính bản thân anten. Bạn có thể định nghĩa độ bức xạ hiệu dụng được sử dụng để mở rộng directivity giúp xác định được độ lợi; một bộ bức xạ hoàn hảo sẽ có độ bức xạ hiệu dụng bằng 1.

Đơn vị dùng để biểu diễn độ lợi có thể là dBi (độ lợi tính theo dB của anten đẳng hướng) hay dBd (độ lợi dB của anten half-wave dipole). Để chuyển đổi giữa dBd và dBi thì ta chỉ cần cộng thêm 2.2 vào độ lợi dBd để có được độ lợi dBi. Việc ghi nhớ quy ước này là quan trọng bởi vì mặc dù hầu hết các nhà sản xuất đều biểu diễn độ lợi theo dBi nhưng một số khác lại biểu diễn theo dBd. Hình dưới minh họa một dạng bức xạ của anten định hướng. Lưu ý là sự bức xạ này tồn tại trong không gian 3 chiều.
 


 


Dạng bức xạ (radiation pattern)
Dạng bức xạ của anten mô tả “sự khác nhau về góc bức xạ ở một khoảng cách cố định từ anten”. Nó thường được diễn tả bằng thuật ngữ “hướng” (directivity) “hay độ lợi” (gain) của anten.

Anten thường có main lobe hay beam (vùng bức xạ), chính là hướng có độ lợi lớn nhất, và minor lobe mà cụ thể hơn là side lobe hay back lobe tùy thuộc vào hướng của minor lobe so với main lobe. Các nhà sản xuất thường mô tả anten bằng độ lợi hay main lobe, họ cũng thường xác định thêm beamwidth (độ rộng của vùng bức xạ) của anten.

Nguyên lý half-power beamwidth được định nghĩa bởi IEEE như sau: “trong một radiation pattern ta cắt phần có chứa main lobe, góc giữa 2 hướng cắt trong đó cường độ bức xạ chỉ bằng một nửa của giá trị tối đa”. Ví dụ, ta lấy dạng bức xạ của anten trong hình trên và đi đến điểm ở cả 2 phía của main lobe nơi mà độ lợi thấp hơn 3 dB (giảm một nửa) so với điểm lớn nhất của lobe, điểm này chính là half-power point. Khi đó, góc giữa chúng chính là half-power beamwidth. Hình dưới minh họa điều này.

 


Trong khái niệm radiation pattern của anten thì tỷ số front-to-back của anten sẽ so sánh độ lợi lớn nhất của anten trên main lobe với độ lợi lớn nhất trên back lobe. Trong ví dụ trên thì tỷ số front-to-back là 20 dB vì main lobe là 15 dBi, back lobe là -5 dBi; Sự khác nhau giữa 15 dBi …… (-5 dBi) = 20 dBi chính là tỷ số front-to-back.

 

 


Công suất bức xạ (radiated power)

Bây giờ chúng ta sẽ kiểm tra công suất thật sự được phát ra bởi radio nối với anten. Công suất bức xạ hiệu dụng (ERP = Effective Radiated Power) được tính bằng cách lấy độ lợi của anten tính theo dBd (tương ứng với half-wave dipole) và nhân nó với công suất mà transmitter cung cấp cho anten. Tuy nhiên, hầu như bạn phải thường xuyên thực hiện những tính toán này bằng các hàm log, dB, điều này có nghĩa là bạn cộng thêm độ lợi của anten vào công suất từ transmitter. Thường thì độ lợi của anten được biểu diễn theo đơn vị dBi, một thuật ngữ khác thường được sử dụng cho công suất bức xạ là Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP = Effective Iotropic Radiated Power; có sách gọi là Equivalent Isotropic Radiated Power), nó hoàn toàn tương tự với ERP nhưng độ lợi của anten được biểu diễn tương ứng với bộ bức xạ đẳng hướng.

Sự phân cực (polarization)

Sóng điện từ được phát ra bởi anten có thể tạo ra những dạng khác nhau ảnh hưởng đến sự quảng bá. Các hình dạng này sẽ tùy thuộc vào sự phân cực của anten, có thể là phân cực tuyến tính (linearly) hay phân cực vòng (circularly).

Hầu hết các anten trên thị trường WLAN đều sử dụng phân cực tuyến tính, có thể theo chiều ngang (phân cực ngang) hoặc theo chiều dọc (phân cực dọc). Nếu theo chiều ngang thì vector trường điện sẽ nằm trên một mặt phẳng thẳng đứng, nếu theo chiều dọc thì vector trường điện nằm trên mặt phẳng nằm ngang. Phân cực dọc là phổ biến hơn mặc dù đôi khi phân cực ngang lại hoạt động tốt hơn. Mặc dù sẽ là không phù hợp nếu bạn sử dụng anten phân cực vòng cho kết nối trong nhà, nhưng nếu bạn sử dụng wireless bridge thì bạn có thể dùng anten phân cực vòng. Cũng giống như anten phân cực tuyến tính, anten phân cực vòng cũng có 2 trường hợp: Phân cực tay trái và phân cực tay phải. Nếu như vector trường điện quay theo chiều kim đồng hồ khi nó tiến gần đến bạn thì được gọi là phân cực tay trái. Tương tự, nếu vector quay ngược kim đồng hồ thì gọi là phân cực tay phải. Anten phân cực vòng là bất biến (hoặc là phân cực trái, hoặc là phân cực phải) khi nó quay trong khi anten phân cực tuyến tính có thể chuyển từ phân cực ngang thành phân cực dọc khi nó quay. Nói chung, đối với kết nối LOS (Line Of Sight) thì bạn nên sử dụng cùng cực ở cả 2 đầu kết nối.

Trở kháng (impedance)

Sự bức xạ hiệu dụng của một anten là “tỷ số của tổng công suất phát ra bởi anten so với công suất từ transmitter (nối với anten) được chấp nhận bởi anten”. Anten bức xạ một số công suất ở dạng năng lượng điện từ. Tất cả các thiết bị RF – radio, đường truyền (cable), anten – đều có trở kháng, chính là tỷ số giữa điện áp và dòng điện. Khi anten được kết nối với một đoạn cable, nếu trở kháng đầu vào của anten trùng khớp với trở kháng của radio và đường truyền thì tổng công suất được truyền từ radio đến anten là tối đa. Tuy nhiên, nếu trở kháng không giống nhau thì một số năng lượng sẽ bị phản xạ ngược trở lại nguồn và số còn lại sẽ được truyền đi đến anten. Tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR = Voltage Standing Wave Ratio) mô tả sự phản xạ này. Nếu như không có phản xạ thì VSWR sẽ bằng 1. Khi VSWR tăng lên thì sự phản xạ sẽ càng nhiều. Nếu VSWR cao và công suất cao thì có thể gây ra tình huống nguy hiểm như khi ta sử dụng điện áp cao trong đường truyền, trong trường hợp tồi tệ nhất, nó có thể bắn ra tia lữa điện. Tuy nhiên, tình huống này sẽ không xảy ra nếu bạn sử dụng công suất thấp khi triển khai mạng WLAN.

Bandwidth

Bandwidth của anten định nghĩa vùng tần số mà anten cung cấp hiệu năng có thể chấp nhận được, thông thường được định nghĩa bởi tần số giới hạn trên hay tần số tối đa và tần số giới hạn dưới hay tần số tối thiểu. Trong trường hợp này, hiệu năng có thể chấp nhận được có nghĩa là các đặc điểm của anten như dạng bức xạ và trở kháng đầu vào không bị thay đổi khi hoạt động trong dãy tần số đó. Một số anten được xem như là broadband (băng rộng) trong đó tỷ số giữa tần số lớn nhất và tần số nhỏ nhất là lớn hơn 2. Tuy nhiên, bởi vì anten băng rộng thường có hiệu năng kém và bởi vì sự phân bố tần số 802.11 hiện tại không yêu cầu anten băng rộng nên trường hợp duy nhất mà bạn có thể sử dụng anten băng rộng chính là khi bạn muốn sử dụng cả 2 băng tần 2.4 Ghz ISM và 5 Ghz UNII trong 1 anten duy nhất.

Khi chọn lựa anten bạn sẽ thấy có nhiều thuộc tính của anten có liên quan đến với nhau, vì thế mặc dù dường như là tối ưu khi chúng ta chọn anten có tất cả thuộc tính đều tối đa hoặc tối thiểu, điều này thường là không thể. Ví dụ, Nếu bạn chọn beamwidth rất rộng thì bạn phải hy sinh độ lợi. Nếu bạn chọn anten băng rộng thì bạn có thể thấy rằng dạng bức xạ của chúng là rất khác nhau. Vì thế, điều cần thiết là bạn phải xác định được thuộc tính nào là quan trọng cho việc triển khai của bạn.

2. Các kiểu Anten
Hình dưới minh họa nhiều loại anten khác nhau

 

Với anten half-wave dipole thì chiều dài từ đầu cuối đến đầu cuối sẽ bằng nửa bước sóng ở tần số đó. Anten omni-directional cung cấp độ lợi bằng nhau theo mọi hướng trên một mặt phẳng, thường là mặt phẳng ngang. Anten dipole thường là omni-directional. Anten Omni-directional thường được sử dụng khi triển khai mạng WLAN bởi vì chúng cung cấp vùng bao phủ theo mọi hướng. Anten Yagi-Uda được xây dựng bằng cách hình thành một chuỗi (array) tuyến tính các anten dipole song song nhau.

Anten Yagi là loại anten định hướng rất phổ biến bởi vì chúng khá dễ chế tạo. Các anten định hướng như yagi thường cung cấp vùng bao phủ ở những vùng khó với tới hay ở những nơi cần vùng bao phủ lớn hơn vùng bao phủ của anten omni-directional.

Một loại anten định hướng khác là anten Patch được hình thành bằng cách đặt 2 vật dẫn (conductor) song song nhau và một miếng đệm (substrate) ở giữa chúng. Vật dẫn phía trên là một miếng nối (patch) và có thể được in trên bảng mạch điện. Anten Patch thường rất hữu ích bởi vì chúng có hình dáng mỏng. Ngoài ra còn có nhiều loại anten khác như broadside anten (có main beam song song với mặt phẳng của anten); fire anten (main beam nằm trong mặt phẳng của anten); và pencil beam anten (cung cấp 1 tín hiệu duy nhất, rất hẹp (narrow) và độ lợi cao cho anten.

 

0 nhận xét:

Đăng nhận xét