Thiết kế mô phỏng và chế tạo ăng ten cho đầu đọc rfid 13,56 mhz

  • 72 trang
  • file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LÊ CÔNG CƯỜNG
LÊ CÔNG CƯỜNG
ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ĂNG-TEN
CHO ĐẦU ĐỌC RFID 13,56 MHz
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
2009/2011
KHOÁ
Luận văn thạc sĩ khoa học
MỤC LỤC
Trang bìa phụ
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĂNG-TEN..............................................4
1.1 Khái niệm về ăng-ten.................................................................................4
1.2 Hệ phương trình Maxwell..........................................................................5
1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ..............................................6
1.4 Các thông số cơ bản của ăng-ten...............................................................7
1.4.1.1 Trở kháng vào của ăng-ten.............................................7
1.4.1.2 Hiệu suất của ăng-ten.....................................................8
1.4.1.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích.................................9
1.4.1.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của ăng-ten............10
1.4.1.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương...................12
1.4.1.6 Tính phân cực của ăng-ten............................................12
1.4.1.7 Dải tần của ăng-ten......................................................13
1.4.1.8 Hệ số sóng đứng (VSWR)..............................................14
1.4.1.9 Vùng bức xạ của ăng-ten..............................................14
1.5 Các hệ thống ăng-ten...............................................................................15
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ĂNG-TEN CHO ĐẦU ĐỌC RFID 13.56MHz..17
2.1 Ăng-ten cho ứng dụng đầu đọc RFID 13.56 MHz.................................17
2.1.1 Lựa chọn kiểu ăng-ten.............................................................17
2.1.2 Tính chất của ăng-ten dạng vòng...........................................18
2.2 Lựa chọn IC Reader.................................................................................20
2.2.1 Tiêu chí lựa chọn IC RFID Reader.........................................20
2.2.2 Cấu trúc của IC MFRC531.....................................................21
Lê Công Cường
Luận văn thạc sĩ khoa học
2.2.3 Cấu trúc của đầu đọc RFID....................................................23
2.2.4 Quá trình giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ Tag........................24
2.3 Thiết kế ăng-ten.......................................................................................30
2.3.1 Kích thước của ăng-ten............................................................30
2.3.2 Thiết kế ăng-ten mạch in..........................................................32
2.3.3 Tính toán, mô phỏng các thông số của ăng-ten.....................33
2.3.4 Tính toán băng thông cho ăng-ten..........................................39
2.3.5 Thiết kế mạch lọc cho ăng-ten.................................................41
2.3.6 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng...........................................43
2.3.7 Kết quả mô phỏng....................................................................48
2.3.8 Thiết kế phần cứng Ăng-ten.....................................................49
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐẦU ĐỌC RFID 13,56 MHz........50
3.1 Mô hình hệ thống đầu đọc RFID 13,56 MHz........................................50
3.2 Thiết kế đầu đọc RFID 13,56 MHz.........................................................50
3.3 Thiết kế phần mềm..................................................................................57
3.3.1 Thiết kế phần mềm cho Vi điều khiển.....................................57
3.3.2 Thiết kế phần mềm quản lý trên máy tính..............................58
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN..................................................60
4.1 Kết quả đặt được....................................................................................60
4.2 Bàn luận.................................................................................................60
KẾT LUẬN ............................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................63
Lê Công Cường
Luận văn thạc sĩ khoa học
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn
trực tiếp của GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến – Đại học Bách Khoa Hà Nôi. Các số liệu,
thiết kế và kết quả nghiên cứu trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu vào khác.
Học viên
Lê Công Cường
Lê Công Cường
Luận văn thạc sĩ khoa học
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến đã hướng dẫn, giúp đỡ
và tạo mọi điều kiện trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu để hoàn thành luận văn.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo và các thầy cô tại Viện nghiên
cứu quốc tế MICA – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện cho tác giả
trong thời gian thực tập hoàn thành luận văn.
Lê Công Cường
Luận văn thạc sĩ khoa học
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VSWR : Voltage Standing Wave Ratio
RFID : Radio – Frequency Identification
ASK : Amplitude Shift Keying
Lê Công Cường
Luận văn thạc sĩ khoa học
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hệ thống ăng-ten thu và phát...................................................................4
Hình 1.2: Đồ thị phương hướng trong tọa độ cực.................................................11
Hình 1.3: Đồ thị phương hướng trong tọa độ góc.................................................11
Hình 1.4: Phân vùng bức xạ của ăng-ten...............................................................15
Hình 2.1: Kiểu ăng-ten mạch in cho đầu đọc RFID 13.56 MHz...........................17
Hình 2.2: Ăng-ten dạng vòng bé trong tọa độ cầu.................................................18
Hình 2.3: Phân bố điện trường của ăng-ten dạng vòng bé....................................19
Hình 2.4: Sơ đồ mạch tương đương........................................................................19
Hình 2.5: MFRC531...............................................................................................21
Hình 2.6: Cấu trúc của IC MFRC531....................................................................22
Hình 2.7: Cấu trúc của mạch RFID Reader...........................................................23
Hình 2.8: Quá trình giao tiếp giữa mạch Reader và thẻ Tag.................................24
Hình 2.9: Quá trình truyền năng lượng..................................................................24
Hình 2.10: Tác động của của 1 phần tử dòng điện................................................25
Hình 2.11: Tác động của dây dẫn hình tròn..........................................................25
Hình 2.12: 100% ASK – ISO14443A......................................................................28
Hình 2.13: Bit ‘1’ – Miller......................................................................................28
Hình 2.14: Bit ‘0’ – Miller......................................................................................28
Hình 2.15: Bit ‘0’ – 1 Miller...................................................................................29
Hình 2.16: Quá trình truyền dư liệu từ thẻ Tag đến mạch RFID Reader...............29
Hình 2.17: Quan hệ giữa chiều dài ăng-ten và khoảng cách giao tiếp..................31
Hình 2.18: Ăng-ten của mạch RFID Reader..........................................................32
Hình 2.19: Các lớp ăng-ten mạch in......................................................................33
Hình 2.20: Mô hình tương đương của Ăng-ten......................................................33
Hình 2.21: Ăng-ten trên phần mềm Sonet Suite (2D và 3D).................................34
Hình 2.22: Đặt thông số các lớp điện môi.............................................................35
Hình 2.23: Đặt thông số vật liệu làm ăng-ten.......................................................35
Hình 2.24: Mô phỏng tính toán thông số Ra , La , Ca ...............................................36
Lê Công Cường
Luận văn thạc sĩ khoa học
Hình 2.25: Các thông số của nguồn phát................................................................37
Hình 2.26: Giá trị của La .........................................................................................37
Hình 2.27: Giá trị của Ra .........................................................................................38
Hình 2.28: Giá trị của Ca ........................................................................................38
Hình 2.29: Quan hệ giữa hệ số phẩm chất và băng thông của ăng-ten..............39
Hình 2.30: ISO14443A............................................................................................40
Hình 2.31: Giá trị Rs ................................................................................................40
Hình 2.32: Mạch lọc thông thấp...............................................................................41
Hình 2.33: Mạch lọc cho khối phát...........................................................................42
Hình 2.34: Mạch lọc cho khối phát và thu của ăng-ten............................................43
Hình 2.35: Mạch phối hợp trở kháng.......................................................................44
Hình 2.36: Mạch tính toán giá trị phối hợp trở kháng.............................................44
Hình 2.37: Sơ đồ tương đương của Z 2 .....................................................................46
Hình 2.38: Sơ đồ mạch tương đương của ăng-ten....................................................47
Hình 2.39: Sơ đồ mô phỏng ăng-ten.........................................................................48
Hình 2.40: Kết quả mô phỏng của ăng-ten...............................................................49
Hình 3.1: Mô hình hệ thống đầu đọc RFID 13,56 MHz..........................................50
Hình 3.2: Cấu trúc đầu đọc RFID 13,56 MHz.........................................................51
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của đầu đọc RFID 13,56 MHz.......................................54
Hình 3.3: Sơ đồ sắp xếp linh kiện.............................................................................55
Hình 3.4: Sơ đồ mạch in...........................................................................................55
Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán của đầu đọc RFID 13,56 MHz....................................57
Hình 3.6: Giao diện phần mềm quản lý....................................................................58
Lê Công Cường
Luận văn thạc sĩ khoa học
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
 Cơ sở khoa học:
RFID là kỹ thuật nhận dạng, quản lý đối tượng bằng sóng vô tuyến. Hệ thống bao
gồm một thẻ Tag lưu trữ thông tin và một đầu đọc RFID Reader, đầu đọc sẽ đọc,
ghi thông tin của thẻ Tag thông qua sóng radio. Đối với hệ thống này thì ăng-ten
đóng vai trò hết sức quan trọng, không chỉ trong việc thu phát thông tin mà còn
trong việc thu phát năng lượng.
 Cơ sở thực tiễn:
RFID có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: quản lý đối tượng, quản lý nhân
sự, quản lý hàng hóa bán lẻ trong siêu thị, nghiên cứu động thực vật học, quản lý
hàng hóa xuất, nhập trong xí nghiệp hay nhà kho, quản lý xe cộ qua trạm thu phí,
làm thẻ hộ chiếu, kiểm kê, chống trộm, tự động chấm công, bố mẹ theo dõi con cái,
tự động nhận diện, an ninh khu vực, quản lý thủy hải sản…
Ăng-ten ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hoạt động của hệ thống RFID, do vậy
tác giả đã chọn đề tài: “Thiết kế mô phỏng và chế tạo Ăngten cho đầu đọc RFID
13,56 MHz” làm luận văn thạc sỹ của mình.
Lịch sử nghiên cứu
Việc nghiên cứu thiết kế ăng-ten cho hệ thống RFID được tiến hành từ trước Cuộc
chiến tranh thế giới lần thứ II cho đến nay và ngày càng phát triển với nhiều kiểu
ăng-ten mới, vật liệu mới, công nghệ mới, tần số cao ... được tạo ra. Đối với Việt
Nam, do còn hạn chế về cơ sở vật chất nên chưa thể nghiên cứu chế tạo ăng-ten
RFID ở tần số cao (GHz) mà mới dừng lại ở ăng-ten RFID tần số MHz.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Mục đích nghiên cứu: Nắm vững cơ sở lý thuyết về thiết kế ăng-ten và
phương pháp phân tích, mô phỏng, chế tạo ăng-ten RFID 13,56 MHz, đồng
Lê Công Cường 1
Luận văn thạc sĩ khoa học
thời tiến đến làm chủ công nghệ thiết kế toàn bộ hệ thống ứng dụng RFID
13,56 MHz bao gồm ăng-ten, đầu đọc và phần mềm ứng dụng.
 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Các kiểu ăng-ten trong giải tần HF (3 ÷ 30 MHz) phù hợp với ứng dụng
RFID 13,56 MHz.
- Các vi mạch tích hợp kết nối ăng-ten có chức năng cấu thành nên đầu đọc
RFID 13,56 MHz.
- Lập trình theo các chuẩn giao thức quốc tế giữa đầu đọc và thẻ Tag.
 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả:
- Nắm vững phương pháp phân tích, thiết kế, mô phỏng ăng-ten RFID tần số
13,56 MHz.
- Chế tạo thành công ăng-ten dạng mạch in cho đầu đọc RFID 13,56 MHz.
- Chế tạo thành công đầu đọc RFID 13,56 MHz bao gồm cả thiết kế phần
cứng và phần mềm.
Phương pháp nghiên cứu
 Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết về thiết kế ăng-ten, phân tích ứng dụng RFID
để lựa chọn kiểu ăng-ten phù hợp.
 Bước 2: Thiết kế ăng-ten bằng phần mềm chuyên dụng, mô phỏng và tính
toán các thông số của ăng-ten.
 Bước 3: Chế tạo và hiệu chỉnh ăng-ten.
 Bước 4: Xây dựng đầu đọc RFID 13,56 MHz và phần mềm ứng dụng để
kiểm chứng lại hoạt động của ăng-ten.
Cấu trúc của luận văn
Tác giả chia luận văn gồm các phần sau:
Mở đầu
Chương 1: Cơ sở lý thuyết ăng-ten
Chương 2: Thiết kế ăng-ten cho đầu đọc RFID 13,56 MHz
Lê Công Cường 2
Luận văn thạc sĩ khoa học
Chương 3: Thiết kế hệ thống đầu đọc RFID 13,56 MHz
Chương 4: Kết quả và bàn luận
Kết luận
Lê Công Cường 3
Luận văn thạc sĩ khoa học
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĂNG-TEN
1.1 Khái niệm về ăng-ten
Ăng-ten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian
bên ngoài.
Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, rada điều khiển v.v..cũng
đòi hỏi ăng-ten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà
còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu.
Trong trường hợp tổng quát, ăng-ten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều
hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các
phần tử ăng-ten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc
phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường
hợp ăng-ten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp ăng-ten thu). [1]
Hệ thống Hệ thống Hệ thống Hệ thống
cung cấp cảm thụ gia công
bức xạ bức xạ tín hiệu
tín hiệu
Ăng-ten phát Ăng-ten
thu
Máy phát Thiết bị Thiết bị Máy thu
điều chế xử lý
Hình 1.1 Hệ thống ăng-ten thu và phát [1]
Lê Công Cường 4
Luận văn thạc sĩ khoa học
1.2 Hệ phương trình Maxwell
Lý thuyết ăng-ten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện
động lực học: các phương trình Maxwell.
Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hoà theo
it
thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn qui luật sin, cos dưới dạng phức e

E  Re(E e it )  E cos(t ) (1.1a)

hoặc E  Im( E e it )  E sin(t ) (1.1b)
Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

rotH  i p E  J e (1.2a)
rotE  iH (1.2b)
e
divE  (1.2c)

divH  0 (1.2d)
- E là biên độ phức của vecto cường độ điện trường (V/m)
- H là biên độ phức của vecto cường độ từ trường (A/m)
A
- J e là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện ( )
m2
C
-  e là mật độ khối của điện tích ( )
m3
  
 p   1  i  (1.3)
  
(hệ số điện thẩm phức của môi trường)
- ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m)
- μ hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)
Lê Công Cường 5
Luận văn thạc sĩ khoa học
- σ điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)
Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong một
số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa
thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích. Khái niệm
dòng từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên.
Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết như
sau:
rotH  i p E  J e (1.4a)
rotE  i H  J m (1.4b)
m
divE  (1.4c)

e
divH   (1.4d)

Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E,H. Trong phương trình
nghiệm nó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền.
1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ
trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ
xảy ra trong những điều kiện nhất định.
Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ
so với bước sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không
gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn
cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên. Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra
ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Năng lượng điện trường bị giới
Lê Công Cường 6
Luận văn thạc sĩ khoa học
hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong
một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm.
Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo
ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài.
Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách
khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các
đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng
phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy. Theo qui
luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi
từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện
từ.
Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do
được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng điện từ
ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.[1]
1.4 Các thông số cơ bản của ăng-ten
Trong thực tế kỹ thuật một ăng-ten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây
[2]:
- Trở kháng vào
- Hiệu suất
- Hệ số định hướng và độ tăng ích.
- Đồ thị phương hướng.
- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.
- Tính phân cực
- Dải tần của ăng-ten.
1.4.1 Trở kháng vào của ăng-ten
Lê Công Cường 7
Luận văn thạc sĩ khoa học
Trở kháng vào của ăng-ten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa
điện áp UA đặt vào ăng-ten và dòng điện IA trong ăng-ten.
UA
ZA   R A  jX A (1.5)
IA
Trở kháng vào của ăng-ten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của
ăng-ten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần ăng-ten.
Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào ăng-
ten P A và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào ăng-ten IAe
PA
RA  (1.6)
I Ae
Thành phần kháng của trở kháng vào của ăng-ten được xác định bởi đặc tính phân
bố dòng điện và điện áp dọc theo ăng-ten (đối với ăng-ten dây) và trong một số
trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.
Hầu hết các ăng-ten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể
truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến ăng-ten cần phối hợp trở
kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của ăng-ten.
1.4.2 Hiệu suất của ăng-ten
Ăng-ten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số
quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của ăng-ten  A chính là tỷ số
giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào ăng-ten Pvào hay PA
Pbx
A  (1.7)
PA
Hiệu suất của ăng-ten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong ăng-ten. Đối với
ăng-ten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó  A < 1. Gọi công suất tổn hao là Pth
Lê Công Cường 8
Luận văn thạc sĩ khoa học
PA  Pbx  Pth (1.8)
Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện trở
bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:
2
PA  I Ae 2
.R A  I Ae Rbx  Rth  (1.9)
Từ biểu thức (1.7) ta viết lại thành:
Pbx Rbx
A   (1.10)
Pbx  Pth Rbx  Rth
1.4.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích
Như đã biết ăng-ten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các ăng-ten với nhau
người ta đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ
số khuếch đại hoặc độ lợi). Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu
quả bức xạ của ăng-ten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với ăng-ten lý
tưởng (hoặc ăng-ten chuẩn)
Ăng-ten lý tưởng là ăng-ten có hiệu suất  A = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều
theo mọi hướng. Ăng-ten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc
là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng.
Hệ số định hướng của ăng-ten D(,) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi
chuyển từ ăng-ten có hướng tính sang ăng-ten vô hướng (ăng-ten chuẩn) để sao cho
vẫn giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (,) nào đó
Pbx (1 , 1 ) E 2 ( 1 , 1 )
D( 1 , 1 )   (1.11)
Pbx (0) E 2 (0 )
Trong đó:
- D( 1 , 1 ) là hệ số định hướng của ăng-ten có hướng ứng với phương
( 1 , 1 );
Lê Công Cường 9
Luận văn thạc sĩ khoa học
- Pbx ( 1 , 1 ) và Pbx (0) là công suất bức xạ của ăng-ten có hướng tính ứng
với hướng ( 1 , 1 ) và công suất bức xạ của ăng-ten vô hướng tại cùng
điểm xét.
- E( 1 , 1 ), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng.
Điều này có nghĩa là phải tăng lên D( 1 , 1 ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của ăng-
ten vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E( 1 , 1 ).
Hệ số tăng ích của ăng-ten G(,) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa
vào hệ thống ăng-ten khi chuyển từ một ăng-ten có hướng sang một ăng-ten vô
hướng để sao cho vẫn giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác
định (,).
G ( ,  )   A D( ,  ) (1.12)
Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho ăng-ten cả đặc tính
bức xạ và hiệu suất của ăng-ten. Từ (1.12) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn
hệ số định hướng. Nếu ta biết tăng ích của ăng-ten trong dải tần xác định ta có thể
tính được Pbx theo công thức sau:
Pbx  PA .G A (1.13)
1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của ăng-ten
Mọi ăng-ten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó ăng-ten phát
hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó ăng-ten phát hoặc thu xấu hơn hoặc
không bức xạ, không thu được sóng điện từ. Vì vậy vấn đề là phải xác định được
tính hướng tính của ăng-ten. Hướng tính của ăng-ten ngoài thông số về hệ số định
hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của
ăng-ten.
Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương
đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảng cách
Lê Công Cường 10
Luận văn thạc sĩ khoa học
bằng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tương ứng với các
phương của điểm xem xét.
Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực [3]
Hình 1.3 Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc [3]
Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như
vậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá. Nó cho phép so sánh đồ thị
phương hướng của các ăng-ten khác nhau. Trong không gian, đồ thị phương hướng
Lê Công Cường 11
Luận văn thạc sĩ khoa học
của ăng-ten có dang hình khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong
mặt phẳng ngang (góc ) và mặt phẳng đứng góc ().
Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không theo sự
biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau. Để đánh giá dạng của đồ thị
phương hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay
còn gọi là góc bức xạ. Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính
vector có giá trị bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được
gọi là góc mở nửa công suất.
1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương
Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyền ví dụ như thông tin vệ tinh, công suất
bức xạ của máy phát và ăng-ten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ
đẳng hướng tương đương. Ký hiệu là EIRP
EIRP  PT GT (W)
Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào ăng-ten và GT là hệ số tăng
ích của hệ thống ăng-ten có hướng tính
Hệ số tăng ích GT của ăng-ten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy
phát cung cấp cho ăng-ten vào búp sóng hẹp của ăng-ten. Công suất bức xạ đẳng
hướng là công suất đuợc bức xạ với ăng-ten vô hướng, trong trường hợp này có thể
xem GT = 1. Nếu như ăng-ten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng
lớn.
1.4.6 Tính phân cực của ăng-ten
 
Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector E , H có
biên độ và pha biến đổi. Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá và xem
xét theo sự biến đổi của vector điện trường. Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút
(điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc
với phương truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng.
Lê Công Cường 12