Ý nghĩa của trở kháng ăng-ten
Để thuận tiện cho ứng dụng kỹ thuật, phần thực và phần ảo của trở kháng ăng-ten thường được quan sát và hiệu chỉnh thông qua biểu đồ Smith (Smith Chart) thống nhất. Ngoài ra, tỷ số sóng đứng (VSWR) và suy hao phản xạ (Return Loss) cũng là các chỉ số quan trọng thường dùng để đánh giá trở kháng. Chúng tôi sẽ trình bày chi tiết về các chỉ số này sau, hôm nay không đề cập sâu.
Quay lại trở kháng, như đã biết, trong hệ thống RF, việc truyền tín hiệu RF giữa các module cần phải phối hợp trở kháng. Khi mất phối hợp, tín hiệu RF truyền đi sẽ bị phản xạ nhiều, vừa lãng phí năng lượng, vừa có thể ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hệ thống.
Trong hệ thống RF, ăng-ten có thể coi như một tải. Do đó, trở kháng đầu vào của ăng-ten cực kỳ quan trọng. Nếu trở kháng ăng-ten không khớp với trở kháng đặc tính của cáp truyền dẫn RF, năng lượng truyền trên cáp sẽ bị phản xạ, không thể truyền tải tối đa trong hệ thống, gây lãng phí năng lượng như đã nói. Mức độ mất phối hợp trở kháng ăng-ten càng lớn, năng lượng phản xạ càng nhiều. Đây là lý do tại sao ăng-ten cần phối hợp trở kháng.
Trường hợp lý tưởng là trở kháng đầu vào ăng-ten thuần trở và bằng trở kháng đặc tính của cáp truyền dẫn, khi đó không có phản xạ công suất giữa ăng-ten và cáp, không tổn hao năng lượng. Tất nhiên, điều này khó đạt được trong thực tế vì cả trở kháng ăng-ten lẫn cáp truyền dẫn chỉ có thể tiệm cận giá trị mong muốn. Để đảm bảo tính thống nhất giúp các hệ thống RF và ăng-ten hoạt động hiệu quả, thiết bị điện tử viễn thông thường định nghĩa trở kháng đặc tính của module RF và ăng-ten là 50Ω. Đây cũng là lý do ăng-ten thường được thiết kế theo trở kháng 50Ω.
Nếu trở kháng bản thân ăng-ten không tốt, liệu có cách nào khắc phục? Câu trả lời là có. Khi trở kháng ăng-ten không tốt, ta có thể dùng tụ điện và cuộn cảm mắc nối tiếp/song song để hiệu chỉnh. Lúc này, ta coi tổ hợp ăng-ten và các linh kiện phối hợp như một thể thống nhất. Khi tổng trở của tổ hợp này phù hợp (gần 50Ω) thì vẫn đạt phối hợp trở kháng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến trở kháng ăng-ten
Vậy trở kháng đầu vào ăng-ten phụ thuộc vào yếu tố nào? Thông thường có 3 yếu tố quyết định:
１、Cấu trúc và kích thước hình học của ăng-ten;
２、Tần số làm việc của ăng-ten;
３、Môi trường xung quanh ăng-ten.
Bất kỳ yếu tố nào trong 3 yếu tố này thay đổi đều làm thay đổi trở kháng đầu vào, tức là thay đổi hiệu năng ăng-ten. Yếu tố 1 chỉ ra hình dạng ăng-ten có thể thay đổi trở kháng. Yếu tố 2 liên quan tần số làm việc vì cùng một ăng-ten sẽ có trở kháng khác nhau ở tần số khác nhau.
Hai yếu tố trên hầu hết mọi người đều biết, nhưng cần lưu ý yếu tố 3: Môi trường xung quanh. Nghĩa là cùng ăng-ten, cùng tần số, nhưng nếu môi trường xung quanh khác nhau thì trở kháng sẽ hoàn toàn khác. Đây là lý do nhiều ăng-ten tích hợp được quảng cáo hiệu năng cao, nhưng khi lắp vào thiết bị thực tế lại hoạt động kém hoặc không dùng được. Nguyên nhân là môi trường thực tế khác với môi trường phát triển ăng-ten. Do đó, khi môi trường xung quanh ăng-ten phức tạp, việc thiết kế tùy chỉnh chuyên biệt cho ăng-ten, đặc biệt là ăng-ten tích hợp, là rất cần thiết.
Quay lại trở kháng, như đã biết, trong hệ thống RF, việc truyền tín hiệu RF giữa các module cần phải phối hợp trở kháng. Khi mất phối hợp, tín hiệu RF truyền đi sẽ bị phản xạ nhiều, vừa lãng phí năng lượng, vừa có thể ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hệ thống.
Trong hệ thống RF, ăng-ten có thể coi như một tải. Do đó, trở kháng đầu vào của ăng-ten cực kỳ quan trọng. Nếu trở kháng ăng-ten không khớp với trở kháng đặc tính của cáp truyền dẫn RF, năng lượng truyền trên cáp sẽ bị phản xạ, không thể truyền tải tối đa trong hệ thống, gây lãng phí năng lượng như đã nói. Mức độ mất phối hợp trở kháng ăng-ten càng lớn, năng lượng phản xạ càng nhiều. Đây là lý do tại sao ăng-ten cần phối hợp trở kháng.
Trường hợp lý tưởng là trở kháng đầu vào ăng-ten thuần trở và bằng trở kháng đặc tính của cáp truyền dẫn, khi đó không có phản xạ công suất giữa ăng-ten và cáp, không tổn hao năng lượng. Tất nhiên, điều này khó đạt được trong thực tế vì cả trở kháng ăng-ten lẫn cáp truyền dẫn chỉ có thể tiệm cận giá trị mong muốn. Để đảm bảo tính thống nhất giúp các hệ thống RF và ăng-ten hoạt động hiệu quả, thiết bị điện tử viễn thông thường định nghĩa trở kháng đặc tính của module RF và ăng-ten là 50Ω. Đây cũng là lý do ăng-ten thường được thiết kế theo trở kháng 50Ω.
Nếu trở kháng bản thân ăng-ten không tốt, liệu có cách nào khắc phục? Câu trả lời là có. Khi trở kháng ăng-ten không tốt, ta có thể dùng tụ điện và cuộn cảm mắc nối tiếp/song song để hiệu chỉnh. Lúc này, ta coi tổ hợp ăng-ten và các linh kiện phối hợp như một thể thống nhất. Khi tổng trở của tổ hợp này phù hợp (gần 50Ω) thì vẫn đạt phối hợp trở kháng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến trở kháng ăng-ten
Vậy trở kháng đầu vào ăng-ten phụ thuộc vào yếu tố nào? Thông thường có 3 yếu tố quyết định:
１、Cấu trúc và kích thước hình học của ăng-ten;
２、Tần số làm việc của ăng-ten;
３、Môi trường xung quanh ăng-ten.
Bất kỳ yếu tố nào trong 3 yếu tố này thay đổi đều làm thay đổi trở kháng đầu vào, tức là thay đổi hiệu năng ăng-ten. Yếu tố 1 chỉ ra hình dạng ăng-ten có thể thay đổi trở kháng. Yếu tố 2 liên quan tần số làm việc vì cùng một ăng-ten sẽ có trở kháng khác nhau ở tần số khác nhau.
Hai yếu tố trên hầu hết mọi người đều biết, nhưng cần lưu ý yếu tố 3: Môi trường xung quanh. Nghĩa là cùng ăng-ten, cùng tần số, nhưng nếu môi trường xung quanh khác nhau thì trở kháng sẽ hoàn toàn khác. Đây là lý do nhiều ăng-ten tích hợp được quảng cáo hiệu năng cao, nhưng khi lắp vào thiết bị thực tế lại hoạt động kém hoặc không dùng được. Nguyên nhân là môi trường thực tế khác với môi trường phát triển ăng-ten. Do đó, khi môi trường xung quanh ăng-ten phức tạp, việc thiết kế tùy chỉnh chuyên biệt cho ăng-ten, đặc biệt là ăng-ten tích hợp, là rất cần thiết.