lý thuyết anten thu

3 CHƯƠNG I VAI TRÒ CỦA ANTEN TRONG KỸ THUẬT VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH 1.1 Vai trò Việc truyền năng lượng điện từ không gian có thể thực hiện theo 2 cách: - Dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là

1

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành tốt được đề tài này, trước tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử và các thầy cô trong bộ môn đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp Sau cùng, em chân thành cảm ơn thầy ThS Nguyễn Dương Thế Nhân là người

đã hướng dẫn em thực hiện đề tài Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài và truyền đạt thêm nhiều kiến thức mới giúp cho em hiểu rõ hơn về lĩnh vực này

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Phạm Như Sáng

2

LỜI MỞ ĐẦU

Anten Yagi có tên đầy đủ là Yagi – Uda Được phát minh vào giữa những năm 20 của thế kỷ này, bởi hai nhà bác học người Nhật tên Shintano Uda và Hidetsugu Yagi Hai ông cộng tác với nhau chặt chẽ trong quá trình nghiên cứu, phát minh và hoàn thiện Anten, cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm

Shintano Uda là một giáo sư của Đại học Tohoku Ông đã công bố thành quả nghiên cứu của mình trên tạp chí Học Viện Kỹ Sư Điện Tử Nhật Bản Loạt 11 bài báo

về tín hiệu vô tuyến sóng ngắn đăng tải từ thời gian nói trên đến tháng 6/1929 đã làm nền tảng quan trọng dẫn đến việc hoàn thiện kiểu Anten thu hình mà chúng ta còn sử dụng cho đến ngày hôm nay Với các công trình trên, Shintano Uda đx chỉ ra nguyên

lý, cấu tạo và kích thước chung của Anten

Hidetsugu Yagi, giáo sư Kỹ Thuật Điện Tử Đại Học Tohoku, là chuyên ghia khoa học cao cấp của Uda Và trong năm này, họ đã công bố một báo cáo khoa học nổi tiếng về việc truyền dẫn của sóng cực ngắn trên ‘Tiến trình của IRE” Bài báo này gây được tiếng vang lớn trong giới khoa học Mỹ và thế giới lúc bấy giờ Mặc dù giáo sư Yagi đã lưu ý đến sự đóng góp của Uda với 9 bài báo về Anten đã được xuất bản, đến vai trò chính của Uda trong tiến trình nghiên cứu thực nghiệm Anten do họ phát minh, nhưng Anten ấy lại được sự mau chóng gọi là “cái Yagi” Trong sự tôn trọng cống hiến của Uda, Giáo sư Yagi đã đề nghị gọi là Anten Yagi – Uda

Trong những năm sau đó và cho đến bây giờ, nhiều thế hệ Bác học đã nối tiếp nhau đóng góp cho sự hoàn thiện Anten Yagi – Uda và ứng dụng nó rộng rãi trong nhiều lãnh vực như phát thanh, truyền hình, liên lạc viễn thông, quân sự… Giờ đây, trong luận văn tốt nghiệp này, trước tiên ta sẽ đi tìm hiểu về lý thuyết anten thu để thấy được những tiện ích, ưu điểm và những hạn chế của nó

3

CHƯƠNG I VAI TRÒ CỦA ANTEN TRONG KỸ THUẬT

VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH 1.1 Vai trò

Việc truyền năng lượng điện từ không gian có thể thực hiện theo 2 cách:

- Dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, dây dồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi… Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc

- Bức xạ sóng ra không gian Sóng được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài gọi là anten

Anten là một bộ phận quan trọng không thể thiếu được trong bất cứ một hệ thống

vô tuyến điện nào

Thông thường giữa máy phát và anten phát, giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép nối với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, được goi là FIDE

Anten phát có nhiệm vụ ngược trở lại, tiếp nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc, truyền theo fide đến máy thu Anten thu chỉ truyền một phần năng lượng nhận được đến máy thu, còn một phần bức

xạ trở lại vào không gian (bức xạ thứ cấp)

Yêu cầu của thiết bị anten – fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không làm méo dạng tín hiệu

Trong trường hợp tổng quát, Anten 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 anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu (cho anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (cho anten thu)

Một hệ thống đơn giản bao gồm: máy phát, máy thu, anten phát và anten thu

4

1.1.1 Sơ lược về hoạt động của hệ thống truyền hình trên

Thiết bị điều chế: Điều chế là phép toán chuyển đổi tín hiệu mang tin tức này

sang tín hiệu khác mà không làm thay đổi về nội dung tin tức mang theo

Do tín hiệu ở đầu ra của bộ biến đổi tín hiệu có tần số thấp do đó không thể truyền

đi xa vì hiệu suất truyền không cao Vì vậy tín hiệu này phải đưa vào thiết bị điều chế

để có thể bức xạ vào không gian dưới dạng sóng điện từ, để tín hiệu thích nghi với điều kiện của môi trường truyền ngay cả khi can nhiễu mà vẫn đảm bảo được chất lượng tín hiệu muốn truyền đi, cho phép trộm nhiều kênh thông tin trên một môi trường Mức độ này tùy thuộc vào các loại điều chế khác nhau

Máy phát: Tín hiệu sau khi được điều chế sẽ được đưa đến máy phát Máy phát là

một khối bao gồm các chức năng Biến đổi tín hiệu điện thành dạng thuận lợi cho việc truyền xa có khả năng chống nhiễu cao và không làm méo dạng tín hiệu trong quá trình xử lý, đó chính là vấn đề cơ bản của điều chế tín hiệu Ngoài ra để đảm bảo công xuất phát nó phải thực hiện khuếch đại tín hiệu điện Sau đó tín hiệu điện được đưa đến anten phát để bức xạ tín hiệu điện thành sóng điện từ lan truyền trong không gian Tín hiệu sau khi phát được truyền qua kênh truyền để đến máy thu Có 2 loại kênh truyền cơ bản là dây dẫn (cáp điện, cáp quang) và truyền trong không gian Các kênh,

Hệ thống

cung cấp

tín hiệu

Hệ thống bức xạ

Hệ thống cảm thụ bức xạ

Hệ thống gia cơng tín hiệu

Thiết bị điều chế

5

dây dẫn truyền trong thông tin điện thoại điện báo, truyền hình công nghiệp (truyền hình cáp) Các kênh không dây dùng trong phát thành truyền hình, thông tin vệ tinh, tuyền hình vệ tinh Vì vậy điều chế là một khâu rất quan trọng trong hệ thống phát thanh truyền hình,

Anten phát: Nhiệm vụ của anten phát là cộng hưởng với công suất RF của máy

phát qua hệ thống dây dẫn sóng fide và bức xạ ra không gian, hiệu suất bức xạ mạnh hay yếu còn phụ thuộc vào nhiều vấn đề:

từ 10KHz tới tần số ánh sáng được gọi là phổ điện từ

6

Bảng 1.1 1.1.4 Phân loại sóng vô tuyến theo băng sóng và theo phương thức lan truyền

Sóng cực dài: Sóng có bước sóng lớn hơn 10.000m (tần số thấp hơn 30Hz)

Sóng dài: sóng có bước sóng từ 1000m đến 10.000m

Sóng trung là sóng có bước sóng từ 100m đến 1000m (tần số từ 300kHz đến 3MHz)

Sóng cực ngắn: là sóng có bước sóng từ 1mm đến 10m (tần số từ 300MHz đến 3GHz)

1.1.5 Truyền sóng vô tuyến

Các nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian được bắt nguồn từ lý thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ Đó là trước tiên trường từ biến thiên tạo ra trường điện biến thiên Và sau đó trường điện biến thiên tạo ra trường từ biến thiên quá trình

cứ lập đi lập lại như thế tạo thành sóng điện từ bao gồm hai thành phần trường điện (E)

và trường từ (H), chúng phụ thuộc lẫn nhau Các trường E và H luôn vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền của sóng điện từ Các thành phần E và H cùng pha về thời gian nhưng lệch pha về không gian 900

1.2 Phân cực anten

Phân cực của anten là hướng của vecto điện trường theo phương bức xạ cực đại

Anten có dipol vuông góc với mặt đất sẽ bức xạ sóng điện từ trường có phân cực đứng

Trong kỹ thuật truyền hình phần lớn là dùng anten có phân cực ngang vì nó có những ưu điểm sau:

- Tín hiệu đến anten thu là tổng của vecto sóng trực tiếp và các sóng phản xạ

1.3 Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị anten:

Vì việc truyền sóng điện từ trong không gian tự do (vô tuyến) năng lượng sóng điện từ sẽ bị suy giảm rất nhiều Do đó yêu cầu của một thiết bị anten – fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không bị méo dạng tín hiệu

Tùy theo ứng dụng mà yêu cầu cụ thể của một hệ thống anten có thể là:

- Đảm bảo thiết bị thu có tỉ số S/N ở mức cao nhất để tăng độ tin cậy của thông tin truyền

- Đồ thị phương hướng hẹp để tăng khả năng phân giải mục tiêu, nâng cao độ chính xác (hệ thống định vị)

- Giảm thiểu kích thước anten

- Tăng khả năng điều chỉnh hướng tính

- Tăng khả năng mở rộng giải tần công tác

Ngoài những yêu cầu về mặt năng lượng, khi khảo sát anten còn cần phải lưu ý đến một đặc tính quan trọng là dải thông tần, nghĩa là dải tần số mà trong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức xạ hay thu phổ tín hiệu mà không bị méo dạng

Tất cả những yêu cầu này phụ thuộc vào cấu hình anten cũng như việc thiết kế các

hệ thống phụ trợ cho anten như: tiếp điện anten, phối hợp trở kháng, khuếch đại công suất, điều khiển phương hướng, v.v…

1.4 Nội dung luận văn

Mặc dù ngành kỹ thuật anten ngày càng phát triển, các loại anten mới lạ và phức tạp liên tục ra đời và bên cạnh đó, kỹ thuật truyền hình vệ tinh đã tiến những bước nhảy vọt Nào là truyền hình vệ tinh, HDTV, truyền hình cáp tương tác… Có lẽ đến

8

một lúc nào đó những chiếc đũa thần của anten Yagi sẽ hết “thiêng”, người ta sẽ không cần dùng đến nó nữa, mà thay vào đó là những phương tiện nhỏ gọn hơn, hữu ích hơn Ngày đó sẽ đến, nhưng còn xa Còn bây giờ, những chiếc đũa thần ấy, dù đã ra đời hơn nửa thế kỷ, Yagi anten đặc trưng bởi những chiếc đũa, vẫn mang đến cho ta bao nhiêu điều kỳ diệu Nó vẫn hết sức cần thiết cho việc liên lạc không cần dùng đến nó nữa,

mà thay vào đó là những phương tiện nhỏ gọn hơn, hữu ích hơn, ngày đó sẽ đến Nhưng còn xa còn bây giờ Những chiếc đũa thần ấy, dù đã ra đời hơn nửa thế kỷ Yagi anten đặc trưng bởi những chiếc đũa, vẫn mang đến cho ta bao nhiêu điều kỳ diệu Nó vẫn hết sức cần thiết cho việc liên lạc không cần dùng dây dẫn Việc bảo vệ vùng trời, vùng biển cũng không thể thiếu nó Còn đối với cả chúng ta, hàng ngày, nó vẫn giúp chúng ta thu nhận tín hiệu truyền hình mà trong thế giới hiện tại, những tín hiệu đó là một nhu yếu phẩm không thể nào thiếu được đối với mọi người Với những ứng dụng đơn giản anten yagi có lợi thế rất lớn bởi cấu hình đơn giản, gọn nhẹ và dễ điều chỉnh

Việc tìm ra anten Yagi có cấu hình tối ưu là một công việc phức tạp và cần nhiều thời gian và tri thức Trong luận văn này do thời gian hạn hẹp và khả năng còn hạn chế nên chỉ khảo sát khái quát về anten Yagi và các dạng cấu hình tối ưu của nó

Trong luận văn dùng ngôn ngữ Matlab để viết chương trình mô phỏng tìm các thông số cơ bản của anten và các đặc tính bức xạ của đồ thị hướng tính

1.5 Xu hướng phát triển

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ, bao trùm các ngành truyền sóng vô tuyến, anten được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghệ, cả dân sự lẫn quân sự Từ điện thoại di động, điều khiển từ xa, ra đa, định vị… đến truyền sóng vệ tinh, anten là một

bộ phận không thể thiếu được Với những ứng dụng rộng rãi, kỹ thuật anten không ngừng phát triển Cấu hình anten ngày càng phong phú Các loại anten và các hệ thống phụ trợ mới liên tục ra đời với chất lượng ngày càng cao nhằm đáp ứng nhu cầu thực

tế Việc liên tục cải tiến, sáng tạo là nhiệm vụ chủ yếu của ngành kỹ thuật anten

Sau khi có cái nhìn tổng quan về anten, hiểu được ý nghĩa và tầm quan trọng của anten trong kỹ thuật nói chung và đặc biệt trong ngành viễn thông thì tiếp đến ta cần phải tìm hiểu kỹ hơn các lý thuyết về trường điện từ, hệ phương trình Maxwell cũng

9

như các đặc tính cơ bản để đánh giá một anten cụ thể… Những lý thuyết làm nền tảng cho kỹ thuật anten này sẽ được khảo sát tiếp theo trong chương 2

Ở đây chúng ta sẽ dùng hệ thống đơn vị thực dụng: mét (m), kilogram (kg), giây (s), culông

Đối với trường khảo sát là đồng nhất và đẳng hướng, các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng sau đây:

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)

  là hệ số phẩm phức của môi trường

: hệ số thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m)

9 0

10 36

F m

  trong chân không

 hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)

11

7

m

     trong chân không

 điện dẫn suất của môi trường (Si/m)

e

J biên độ phức của mật độ dòng điện (A/m2)

e

 mật độ khối của điện tích (C/m3)

Người ta thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tính Các đại lượng này chỉ mang tính chất tượng trưng vì chúng không tồn tại trong thiên nhiên

Hệ phương trình Maxwell đối với dòng từ và từ tính ngoài sẽ có dạng tương tự:

2.2 Quá trình bức xạ của 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 khả năng bức xạ sóng điện từ Tuy nhiên trong thực tế sự bức

xạ điện từ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định

12

Ta xét một mạch dao động có kích thước rất nhỏ so với bước sóng Ta đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện phát sinh một điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh một từ trường biến thiên Những điện trường, từ trường này hầu như không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điện nên năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy Còn năng lượng từ trường tập trunng chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng điện dịch sẽ không chỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện thì dòng điện dịch sẽ không chỉ dịch môi trường ngoài và có thể truyền tới những điểm nằm cách xa nguồn (nguồn điện trường

là các điện tích biến đổi trên hai má tụ điện)

Nếu mở rộng hơn nữa kích thước của tụ điện thì dòng điện dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là không còn liên hệ với các điện tích trên hai má tụ điện, các đường sức điện trường ở gần tụ điện thì thấy chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là các điện tích trên hai má tụ điện, các đường sức điện trường sẽ không còn ràng buộc với các điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian, nghĩa là

đã hình thành một trường xoáy

Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường này sẽ tiếp tục tạo ra một điện trường xoáy, nghĩa là đã hình thành một quá trình sóng điện từ

Phần năng lượng thoát ra ngoài và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ hay năng lượng hữu công

Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn sẽ dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc tạo thành sóng điện từ, được gọi là năng lượng vô công

Để tăng cường khả năng bức xạ của các hệ thống, ta cần mở rộng hơn nữa không gian bao trùm của các đường sức điện trường

13

2.3 Trường bức xạ của dòng điện và dòng từ trong không gian

Điều kiện cần: giả sử có một không gian đồng nhất rộng vô hạn, trong không gian

ấy có các dòng điện hoặc dòng từ phân bố trong một thể tích hữu hạn nào đó

,

J J mật độ khối của điện tích và từ tích

Trường điện từ của dòng điện (từ) có thể xác định qua véc tơ thế A e m, như biểu thức sau:

r: là khoảng cách từ điểm tích phân (phần tử thể tích dV)

Để đơn giản bài toán ta giả thiết rằng thể tích V có kích thước rất nhỏ so với 

(trường hợp nguồn điểm dipol hertz…) để có thể bỏ qua sự sai pha của trường được tạo bởi các phần tử thể tích dV Để khảo sát trường điện từ của dòng ta chia không gian khảo sát làm 2 phần chính

a Khu gần khu “cảm ứng”

Đó là miền không gian bao quanh thể tích V có bán kính ra khá nhỏ r thừa số

r i

  với r nên ta không thể bỏ qua

sự chậm pha ở điểm khảo sát so với pha an đầu của dòng điện (từ)

Như vậy 2 vec tơ E&H vuông góc với nhau và vuông góc với vec tơ i R

Nếu biểu thị theo tọa độ cầu:

 : Gọi là trở kháng sóng của môi trường

Từ công thức (2.11) (2.14) và (2.15) là các công thức tổng quát cho phép xác định trường bức xạ của các hệ thống hỗn hợp, bao gồm các dòng điện và dòng từ phân bổ trong không gian V

Nếu biểu diễn hàm số bức xạ từ tọa độ cầu G G  sang tọa độ vuông góc G G G x, y, z

Biên độ của cường độ từ trường suy giảm tỉ lệ nghịch với khoảng cách

16

WG G WG G

Hướng truyền lan của sóng bức xạ theo hướng vec to i R

Vec to hiện trường và từ trường có hướng vuông góc với nhau EH i R và vuông góc với hướng truyền lan i R Sóng điện từ thuộc loại sóng điện từ ngang

Sự biến đổi của cường độ điện trường và từ trường trong không gian (khi R không đổi) được xác định bởi tổ hợp các hàm bức xạ G e , &G m ,  các hàm này lại phụ thuộc vào sự phân bố dòng điện và dòng từ trong không gian của hệ thống bức xạ Trong trường hợp tổng quát chúng là các hàm vec to số

2.4 Đặc tính định hướng của trường bức xạ

Ta gọi f  ,  là hàm số đặc trưng cho sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ theo hướng khảo sát với khoảng cách R không tối đa ta có f  ,  là hàm phương hướng

Trong trường hợp tổng quát f ,  là hàm vec tơ phức

i G m

i G m

i f m

i G m

Đồ thị phương hướng chuẩn hóa: Hàm phương hướng chia cho giá trị cực đại của

mô dun lấy với giá trị tuyệt đối

     

max

, ,

,

m

f F

2.5 Một số thông số của đồ thị phương hướng

Độ rộng: Là góc giữa 2 hướng mà cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đến một giá trị nào đó

Trong công thức (1.37) biểu thị pha của hàm phương hướng là arg , argf f

Pha của cường độ trường tại điểm khảo sát:

Việc chọn góc tọa độ: Điều kiện là vị trí gốc tọa độ sao cho các hàm số  , 

không phụ thuộc vào góc   hoặc biến đổi nhảy vọt một đại lượng bằng  giữa các búp sóng Gốc tọa độ như vậy gọi là tâm pha của anten

2.6 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích

HĐH: Hệ số định hướng là tỉ số của mật độ công suất bức xạ bởi anten tại một điểm nào đó trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn tại điểm ấy khi công suất bức xạ của 2 anten là giống nhau

Nếu anten chuẩn là nguồn bức xạ vô hướng giả định thì HĐH là một hư số biểu thị mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng và khoảng cách đã cho, lớn hơn bao nhiêu lần mật độ công suất bức xạ cũng ở điểm trên, khi giả thiết anten bức xạ vô hướng, với điều kiện công suất bức xạ giống nhau trong 2 trường hợp

Hệ số tăng ích của anten: Được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức

xạ của anten ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là

Đối với anten có tổn hao thì PP0&A1 còn anten lý tưởng có A  1

Hệ số tăng ích của anten:

Hệ số tăng ích của anten  là một thông số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức

xạ của anten so với hệ số định hướng D, vì nó vừa biểu diễn đặc tính định hướng, vừa biểu diễn tổ hao trên anten

2.7 Lý thuyết nhân đồ thị phương hướng

Trong kỹ thuật anten, muốn tạo ra một đồ thị phương hướng hẹp, thường không thể dùng một phần tử đơn giản, mà phải sử dụng hệ thống phức tạp gồm nhiều anten đơn giản (anten phần tử)

Các anten phần tử này có thể là nguồn bức xạ có hướng hay vô hướng và được đặt trong không gian theo một trình tự nhất định

Từ công thức xác định tính định hướng ở khu xa:

Ở đây a n bằng tỉ số dòng trong phần tử n và dòng của phần tử 1

a là một số phức vì dòng trong các anten phần tử có thể khác nhau về pha

Trong trường hợp các nguồn bức xạ thành phần và vô hướng thì chúng có giá trị không đổi ứng với giá trị  , 

N ikr

22

.sin 4

0

ikR e

R E

0

ikR e

R H

. .sin 2

23

Ta thấy rằng hàm phương hướng của dipol chỉ phụ thuộc vào góc  mà không phụ thuộc vào  điều đó có nghĩa là dipol bức xạ có hướng tính trong mặt phẳng E và

vô hướng tính trong mặt phẳng H

Hàm phương hướng chuẩn hóa:

24

Tương tự, ta coi công suất bởi dipol điện giống như công suất tiêu hao trên một điện trở tương đương R nào đó, khi có dòng điện với biên độ bằng biên độ dòng điện của dipol chạy qua, khi ấy: 1 2

3 2 3 sin 2

Trên thực tế không có dòng từ mà chỉ có dòng từ tương đương nghĩa là có phần

tử mà trên đó tồn tại thành phần tiếp tuyến của điện trường

Giả sử có phần tử với kích thước biểu thị như trên hình, trên bề mặt của nó có thành phần điện trường tiếp tuyến Et

Theo điều kiện mặt dẫn từ lý tưởng ta có:

25

2b là dòng từ nếu bỏ qua độ dày của dipol khi đó trường bức xạ của dipol từ tương đương là: .sin

ikR t

 nghĩa là công suất bức xạ của dipol từ nhỏ hơn công suất bức xạ

của dipol điện W2 lần

2 2 2

2

1 3 2

d

d m

tự như cấu trúc trường của dipol từ

2.8.3 Cặp dipol vuông góc – nguyên tố tuanike

Nguyên tố tuanike là tổ hợp hỗn hợp của 2 dipol điện hoặc dipol từ đặt vuông góc với nhau trong không gian và được tiếp điện sao cho dòng điện hoặc dòng từ chạy trong cặp dipol ấy có biên độ bằng nhau còn góc pha lệch nhau 900

Nội dung của phương pháp ảnh gương: Khi tính trường bức xạ tạo bởi chấn từ đặt trên mặt dẫn điện lý tưởng, tác dụng bức xạ của các dòng thứ cấp có thể thay thế bởi bức xạ của các phần tử ảo, là ảnh của chấn tử thực qua mặt phẳng dẫn điện – gọi là chấn tử ảnh

27

Dòng điện ảnh có biên độ bằng biên độ dòng điện của chấn tử thực còn pha của

nó so vơi pha dòng điện của chấn tử thực sẽ tùy thuộc vào hướng của chấn tử so với mặt phản xa: Khi chấn tử điện đặt song song với mặt đất thì dòng điện ảnh sẽ ngược pha với dòng điện của chấn tử thực, còn khi chấn tử đặt vuông góc với mặt đất thì dòng điện của chấn tử thực và ảnh đồng pha Trường hợp chấn tử từ thì sẽ có các kết quả ngược lại

Tính toán chính xác ảnh hưởng của mặt đất lên bức xạ của anten là một vấn đề hết sức phức tạp Vì vậy chúng ta chỉ đề cập đến phương pháp tính gần đúng

2.9.2 Anh hưởng của mặt đất đến hiệu suất của anten:

Thông thường công suất của máy phát đặt vào anten không phải hoàn toàn được bức xạ ra ngoài mà một phần bị mất mát do tổn hao nhiệt trên dây dẫn anten, trong chất cách điện, trong khi các vật kim loại hay điện môi đặt gần anten và đáng kể nhất

là tổn hao trong mặt đất khi anten đặt thấp

Trong trường hợp tổng quát ta có thể viết công suất vào của anten:

P P P

Chấn tử thực

Chấn tử ảnh

Đối với các dải sóng khác nhau, ảnh hưởng của mặt đất đến tổn hao năng lượng cũng khác nhau Hiệu suất của anten có thể đạt được trong dải sóng dài khoảng 10-40%, trong dải sóng trung khoảng 70-80%, trong dải sóng ngắn 90-95% còn trong dải sóng cực ngắn có thể đạt tới gần 100%

Để giảm ảnh hưởng của tổn hao mặt đất, thông thường người ta tăng độ dẫn của mặt đất bằng cách thực hiện mặt đất giả từ hệ thống các dây dẫn đặt trên mặt đất hoặc chôn trong đất

2.10 Hệ thống bức xạ thẳng:

Là hệ thống mà các phẩn tử bức xạ có tâm pha nằm trên một đường thẳng Đường thẳng này được gọi là trục của hệ thống Để đơn giản ta chọn tọa độ trùng với tâm pha của phần tử thứ nhất Chúng ta có thể quan sát hình dưới đây:

Cường độ trường của hệ thống được viết dưới dạng:

1

i n

29

Theo lý thuyết nhân đồ thị ta có:

cos 1

f   là hàm phương hướng của một phần tử

Khi dòng kích thích cho các phần tử anten có biên độ bằng nhau, còn góc pha giữa các phần tử liên tiếp lệch nhau một đại lượng không đổi bằng 

Ta có hàm phương hướng biên độ tổ hợp:

Hàm chuẩn hóa:

sin 2 sin 2 sin 2 sin 2

KN

KN

N f

N F

Ứng với mỗi giá trị N, hàng FKN có chu kỳ bằng 2 Ví dụ hàm FKN có N=5 được vẽ như sau:

30

Trong khoảng  2 đến +2 hàm số F KN có 3 cực đại chính bằng 1 và một số cực đại phụ

Xét sự biến thiên của F KN trong giới hạn thực của kdcos  ở đây xét

biến thiên trong khoảng từ 0 – 1080, còn trong trường hợp =1080-3600 đồ thị sẽ đối xứng qua trục:

Với  = 0, 1800 ta có cos =1,-1 vậy kd    kd

Khi   0thì trong khoảng xác định ở trên  kd

Hướng cực đại chính của hàm phương hướng trong nửa mặt phẳng thứ nhất được xác định từ phương trình: kdcos 0 cos

số cực đại phụ càng nhiều

Độ rộng của múi sóng chính trong trường hợp trên 20=290

Vậy

Với

+ Trường hợp   180 0 (hệ thống bức xạ ngược pha)

Ta có:  kdcos1800

Hàm phương hướng biên độ tổ hợp chuẩn hóa trong hóa trường hợp này có dạng:

0) 0

2 1

2

KN

N kd F

Trong đó: v là vận tốc góc pha của sóng chạy giả đinh

c là vận tốc sóng trong không gian tự do

32

2 cos 2

KN

Nkd F

33

Sau khi nghiên cứu và nắm được hệ phương trình Mallwell, quá trình bức xạ của sóng điện từ, trường bức xạ của dòng điện và dòng từ trong không gian, đặc tính định hướng của trường, lý thuyết nhân đồ thị, các nguồn nguyên tố (Dipole điện, Dipole từ, cặp dipole vuông góc- nguyên tố Tuanike), các thông số cơ bản của anten (hệ số tăng ích, hệ số định hướng…) Và một câu hỏi sẽ đặt ra là: Lý thuyết ở chương trình 2 có tác dụng gì cho việc nghiên cứu đề tài? Sau đây ta cần tiếp tục khảo sát chương 3 để giải quyết câu hỏi trên

34

CHƯƠNG III

LÝ THUYẾT ANTEN CHẤN TỬ 3.1 Phân bố dòng điện trên chấn tử đối xứng

a Định nghĩa: Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn (có hình

dạng tùy ý: hình trụ, hình chóp, elipsoit…) nó có kích thước giống nhau, đặt thẳng hàng trong không gian, và ở giữa được nối với một nguồn dao động cao tần

- Chấn tử đối xứng là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng khá phổ biến trong kỹ thuật anten Nó có thể xem như là 1 anten độc lập hoặc là một phần tử để kết cấu thành một anten phức tạp

- Khi khảo sát anten là ta đi xác định trường bức xạ, muốn vậy ta phải đi tìm hiểu

và giải bài toán hàm phân bố dòng điện trên anten

- Chấn tử đối xứng tương tự như một đường dây song hành hở mạch đầu cuối và không có tổn hao (phương pháp lý thuyết đường dây)

- Giả sử từ hình trên đây là đường dây song hành biến dạng và trở thành chấn tử đối xứng Chúng ta mở rộng đầu cuối đường dây để đạt được góc là 1080 Lúc này ta

có được quy luật phân bố dòng điện là quy luật dòng điện sóng đứng