he 2 chan tu docx

TÊN Đề TàIKHảO SáT ĐặC TíNH PHƯƠNG Hứơng của anten chấn tử A.Phần mở đầu 1.Đặt vấn đề Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi là anten.A

TÊN Đề TàI

KHảO SáT ĐặC TíNH PHƯƠNG Hứơng của anten chấn tử

A.Phần mở đầu

1.Đặt vấn đề

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi là anten.Anten được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến,vô tuyến truyền thanh,truyền hình,vô tuyến đạo hàng,vô tuyến thiên văn,vô tuyến điều khiển từ xa v v… Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khácnhau.với các đài phát thanh,vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất),để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát.Song,anten lại cần bức xạ trong mặt phẳng đứng,với hướng cực đại song song mặt đất để các đài thu trên mặt có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết

Như vậy nhiệm vụ của anten không phải chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do,mà phảI bức xạ sóng ấy theo những hướng nhất định,với các yêu cầu kỹ thuật cho trước.Và 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 là một anten độc lập,hoàn chỉnh (anten chấn tử đối xứng),đồng thời trong nhiều trương hợp nó cũng là phần tử để kết cấu những anten phức tạp

- Chấn tử đối xứng là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng khỏ phổ biến trong kỹ thuật anten Nú gồm hai dõy dài bằng nhau(hỡnh trụ, chúp, elipsụit) giữa dõy fiđe Thường dựng nhất là chấn tử đối xứng cú chiều dài bằng nửa bước súng và được gọi là chấn tử nữa bước súng

- Chấn tử khụng đối xứng cú một đầu dõy nối và một đầu của mỏy phỏt(hay mỏy thu) cũn đầu cũn lại của mỏy phỏt (hay mỏy thu ) thỡ được nối đất

2.Dàn ý chính của bài tập

Sau đây ta đi khảo sát về anten chấn tử theo các nội dung sau:

<> Cơ sở lý thuyết có liên quan về anten chấn tử:

-Phân bố dòng điện trên anten chấn tử

-Đặc tính hướng

<>Giới thiệu phần mềm công cụ

-Phần mềm vẽ đồ thị archim

<>Khảo sát đồ thị phương hướng của anten chấn tử đối xứng

-Vẽ đồ thị bằng phần mềm archim

<>Nhận xét và kết luận

B.Cơ sở lý thuyết về anten chấn tử

I.Phân bố dòng điện trên anten chấn tử

1.định nghĩa chấn tử đối xứng

Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn (hai đoạn này có thể có hình dạng tuỳ ý:hình trụ,hình chóp,elipsoit v v…)có kích thước giống nhau,đặt thẳng hàng trong không gian,và ở giữa được nối với nguồn dao động cao tần

Hình vẽ minh hoạ:…hình( 4.1)trang69

2.Phương pháp gần đúng

Do việc xác định phân bố dòng điện và điện áp chính xác là rất phức tạp nên ta sử dụng phương pháp gần đúng về chấn tử đối xứng

Giả sử chấn tử có dạng như hình vẽ trên,vơi một dây gồm hai nửa thẳng hàng,chiều dài :l

và 2l hoặc l/2 và l

-giả thiết 2a/λ ≤

0.01 với a là bán kính dây Dây song hành mở rộng,hở mạch đầu cuối,có tổn hao (tổn hao là khả năng tiêu thụ năng lượng của nguồn cung cấp)

tt = ∑+ n

P∑ ? P

) -phân bố dòng:

( ) sin( ( ))

I z =I b k l − z

+phân bố dòng đối xứng qua 0

+

I b

:biên độ dòng điện ở bụng

-phân bố điện tích Q

0

dI z

iwQ z

( 0) cos( ( ))

( 0) cos( ( ))

kI b

kI b

-xét một số trường hợp:

+

λ = λ =

:chấn tử nửa sóng

+

1

2

λ = λ = ÷

:chấn tử toàn sóng

+

2

1.25

l

λ =

Hình 4.3

⇒

nhận xét:

+liên hệ với đường dây song hành,biên độ dòng điện cuối đường dây bằng không,điểm

bụng ở vị trí 4

λ

tính từ cuối lên +phân bố điện tích tương tự phân bố điện áp trên đường dây,nó lệch pha so với dòng điện theo khoảng cách và ngược lại

+biên độ dòng điện tại điểm cấp nguồn phụ thuộc vào

l

λ

II.Đặc tính hướng

1.Mô hình toán

-Khảo sát trường hợp vùng xa R>>l

cos 1

cos 2

θ θ

= −

= +

-Chỉ xét trong mặt phẳng chứa 0z,đẳng hướng theo

ϕ

,đặc tính hướng phụ thuộc θ

-xét một cặp dipol dz (z và -z)

1 2

dE =dE +dE

ikR

θ

ikR

θ

sin sin( ( )) cos( cos )) 4

π −

=

ikR i

E e m − θ

60 cos( cos ) cos( )

2 sin

E

m

θ

θ θ

−

=

cos( cos ) cos( )

2 sin

θ

−

=

*Xét một số trường hợp.

+l<< λ →

xét như một dipol điện có

( ) sin ( 3

F θ = θ θ

:độ rộng búp sóng ở mức suy giảm 3dB)

2

F θ = = ÷⇒θ =

+

2

l= ⇒λ l =λ

:chấn tử nửa sóng

80

4 2

λ

= = ⇒ = ⇒

2

2

l = ⇒λ l =λ

:chấn tử toàn sóng

44

2

λ

= = ⇒ = ⇒

(D: hệ số định hướng)

+ 2

l〉λ

⇒

nhận xét:

-đặc tinh hướng đẳng hướng trong mặt phẳng vuông góc với trục anten (không xuất hiện

ϕ

)

-trường hợp 2l < λ

thì có giản đồ hướng hình số 8,l càng tăng búp hướng càng hẹp

-trường hợp 2l > λ

có búp sóng phụ,l càng tăng thì búp sóng chính càng giảm,búp sóng

phụ càng tăng.Thường gặp độ dài thực tế từ 2

λ λ÷

2.Các thông số của anten chấn tử

*Điện trở bức xạ

-phương pháp tính:

2

2

P

R

I b

∑

=

∑

với (

1 2 2

b

=

) 2

2 ( , )

2 sin 2

0 0

E

w mc

π π θ ϕ

θ ϕ θ

= ∫ = ∫ ∫

∑

2

~

 

=  ÷

∑  

*Trở kháng vào

-khái niệm

0

0

U

I

= = +

với

R th

:điện trở tổn hao

v = ∑+ th

-xét một trường hợp riêng :chấn tử ngắn (anten ngắn) có:

0.03

l

λ <

(0.6 0.65) l (0.85 0.9)

λ

÷ < < ÷

ởđiểm cấp điện có dòng điện bụng- gần đúng với phân bbố dòng hình sin

+công suất vào:

1 2

0 2 0

P = I R v

+công suất bức xạ:

1 2

2

b

=

( 0) sin( ( )) sin( )

0

I =I z= =I b k l− z =I b kl

2 sin ( ) 0

R

I b

R v R

  ∑

 ÷

= ∑  ÷ =

cot ( )

X v = −ρa g kl

(đường dây song hành (mở rộng),hở mạch đầu cuối)

ot ( ) 2

sin ( )

R

kl ρ

∑

-xét ttổng quát với độ dài l tuỳ ý khảo sát,phân bố dòng theo hàm sinhypepoloit

+phương pháp phân tích:tính trở kháng vào tương đương đường dây song hành có tổn hao

+đường dây song hành (mở rộng)hở mạch đầu cuối có tổn hao

(2 ) sin(2 ) (2 ) sin(2 )

(2 ) cos(2 ) (2 ) cos(2 )

a

ρ

:là trở kháng sóng của anten (phụ tuộc kích thước anten l,bán kính a)

2

120 ln l 1

ρ =  − ÷

 

α

:hệ số suy giảm,và

0

l a

α ρ

=

β

:hệ số chậm pha,và

1

w w c kk

v c v

→

tổn hao chính là bức xạ sóng điện từ và tổn hao phân bố trên đường dây.Tổn hao nhiệt nhỏ(phụ)

( ) ( ( ))

I z =I sh b γ l− z

( ) 0 0 ( ( ))

Q z = µ ε I ch b γ l− z

i

γ α= + β

:hệ số truyền lan phức

⇒

nhạn xét:

-có sự phụ thuộc

, l a,

R X

v v → λ λ

(độ dài và bán kính tương đối so vớiλ

-đối với chấn tử nửa sóng (

2 2

l = λ

),mảnh(a=0)đây là một trường hợp đặc biệt

73.1 42.5( )

Có i42.5 # 0 nên anten chưa phải là cộng hưởng.thường người ta coi

2 0.48

l

λ ≈

(hay 95% của nửa sóng)thì

0

X v ≈

-điện kháng vào anten có hai điểm cộng hưởng

+cộng hưởng 1 : xung quanh

2 0.5

l

λ =

(nối tiếp)

+cộng hưởng 2 : xung quanh

2 1.5

l

λ =

( điểm cộng hưởng song song)

-khi a

càng lớn thì trở kháng càng giảm và trở kháng vào càng ít thay đổi so với sự thay

đổi của

l

a

ρ

λ

càng giảm thì dần tải anten càng được mở rộng

*Độ dài hiệu dụng

-vẽ phân bố hình sin

-định nghĩa:

+độ dài hiệu dụng là độ dài anten chấn tử với giả thiết phân bố dòng đồng đều trên anten

và có giá trị bằng giá trị của điểm tiếp điện, nhưng trong phân bố hình sin thì bằng dòng điện điểm bụng

+

'

S =S

i = hd b

sin( ) 0

1 cos( )

sin( )

kl kl

λ π λ

π

−

=

-ví dụ : chấn tử nửa sóng

? 2

l= ⇒λ L hd =

2

2

hd L

λ

= ⇒ = = ⇒ =

= ⇒ = = =

*Hệ số định hướng (D) và hệ số tăng ích anten (G)

-định nghĩa hệ số định hướng D :

( , )

( , )

0

S

D

S

θ ϕ

θ ϕ =

0

S

:mật độ công suất đẳng hướng

0 4 2

2 ( , )

( , )

2

( ( , ))

max

P

S

R

E

S

w

π

θ ϕ

θ ϕ

θ ϕ

Σ

=

=

=

+đối với anten chấn tử đối xứng thì max

D

với các giá trị

1.25

L

λ ≤

, hướng θ

là hướng cực đại, búp sóng chính lớn nhất

0

90

θ = ±

Với

0.5

L

λ =

(nửa sóng)

1.64 2.15 max

1

L

λ =

(toàn sóng)

2.14 3.82 max

1.25

L

λ = ⇒Dmax =3.36 5.16÷ dB

C.Giới thiệu phần mềm công cụ-archim.

Archim là phần mềm chuyên dùng để vẽ đồ thị các hàm số toán học.Phần mềm này sẽ giúp ích rất nhiều cho người sử dụng trong việc thể hiện đồ thị toán học một cách nhanh chóng và lý thú

Phần mềm này có dung lượng chỉ 480Kb,tương thích với các hệ điều hành Windows.Sau khi ccài đặt ,kích hoạt chương trình,thực hiện vẽ đồ thị bằng cách bấm menu File/New.Khu vực làm việc của chương trình sẽ được chia làm 2 phần:

+, Phần “Function” sử dụng để thiết lập thuật toán và thông số cho bài toán

+,Phần “GRAPH” vẽ đồ thị phần “Function” vừa thiết lập

Để hiểu cú pháp viết lệnh nên sử dụng các ví dụ minh hoạ Archim cung cấp cho người dùng hơn 30 ví dụ minh hoạ chia thành các mục 2D,3D.Bấm vào menu Examples,chon 3D rồi chọn 1 mục tương ứng

Trong phần Function,chúng ta có thể bấm chuột vào ví dụ minh hoạ ,gõ phím để sủa các thông số ,ra lệnh lưu và sẽ thấy đồ thị thay đổi như thế nào

Ngoài ra chúng ta có thể sử dụng chuột để quay hướng của đồ thị (chuột bên trái sử dụng để quay trái , phải và lên,xuống đồ thị , trong khi đó chuột phải dùng để quay đồ thị theo chiều thuận kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ), thay đổi màu sắc của đồ thị , màu nền và màu lưới,thang chia phù hợp

Ví dụ:cửa sổ đồ thị 2D và 3D được thể hiện như sau:

D.Khảo sát đặc tính phương hướng của anten chấn tử đối xứng

1,Đồ thị phương hướng của Aten

Biểu thị sự phụ thựôc biên độ theo phương hướng bằng hàm toán học hoặc đồ thị Khi biểu thị đặc tính phương hướng bằng đồ thị người ta dùng các đường cong phẳng

vẽ đặc tính phương hướng theo hai mặt chính,mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng(đối với mặt đất)

Búp của đặc tính phương hướng ứng với hướng phát cực đại gọi là búp sóng chính,còn các búp khác gọi là búp sóng phụ

2, Vẽ giản đồ hướng của chấn tử đối xứng trong mặt phẳng tương ứng với các giá trị l khác nhau:

#Chuong trinh ve gian do huong cua anten chan tu _2D

# L la do dai chan tu so voi buoc song

# kl/2=pi*L

L=input( ‘nhapL’)

tmin=0

tmax=2*pi

tgrid=180

r=abs((cos(pi*L*cos(t))-cos(pi*L))/((1-cos(pi*L))*sin(t)))

x=4*r*sin(t)

y=4*r*cos(t)

z=0

#Chuong trinh ve gian do huong cua anten chan tu _3D

# L la do dai chan tu so voi buoc song

# kl/2=pi*L

L=input( ‘nhapL’)

tmin=0

tmax=2*pi

tgrid=180

pmin=0

pmax=1.5*pi

pgrid=180

r=abs((cos(pi*L*cos(t))-cos(pi*L))/((1-cos(pi*L))*sin(t)))

x=4*r*sin(t)*cos(p)

y=4*r*sin(t)*sin(p)

z=4*r*cos(t)

*,Chú ý:

Số ” 4” trong các dòng lệnh như:

x=4*r*sin(t)*cos(p)

y=4*r*sin(t)*sin(p)

z=4*r*cos(t)

chỉ có tác dụng làm cho đồ thị dễ quan sát hơn(lớn hơn) ma không có ý nghĩa về mặt toán học,ta có thể thay đổi bằng số khác tuỳ ý

*Trường hợp L=0.01,

- đồ thị 2D

Đồ thị 3D

Trường hơp L=0.5

Đồ thị 2D:

Đồ thị 3D:

Trường hợp L=1.25

-Đồ thị 2D:

-Đồ thị 3D:

- Trường hợp L=1,5

-Đồ thị 2D:

-Đồ thị 3D:

*Trường hợp L=2

Đồ thị 2D:

-Đồ thị 3D:

E.Nhận xét và kết luận:

Ta nhận thấy khi dây dẫn có độ dài nhỏ,đồ thị phương hướng chuẩn hoá có dạng gần

giống đồ thị phương hướng của dipol điện.Tuy nhiên,nếu xét kỹthì độ rộng của đồ thị hẹp hơn.Biết rằng trường bức xạ của dây dẫn tại điểm khảo sát bằng tổng vécto của trường tạo bởi các đipol thành phần.Khi độ dài của dây dẫn nhỏ, dòng điện tại mọi điểm trên dây

sẽ đồng pha nhau Đồng thời có thể coi khoảng cáchtừ các đipôl đến điểm khảo sát dài bằng nhau,nên trường bức xạ của đipôl riêng rẽ sẽ đồng pha và được cộng đại số với

nhau.Biên độ trường bức xạ của dây dẫn ở các điểm trong không gian đều tăng lên một số lần giống nhau so với cường độ trường bức xạ của một đipol riêng rẽ.Vì vậy, dạng của đồ thị phương hướng chuẩn hoá của dây dẫn, xét một cách gần đúng, sẽ không khác với đồ thị phương hướng của dipol.Nếu xét kĩ hơn,có chú ý đến sai pha khoảng cách của các đipol thành phần, thì đồ thị phương hướng của dây dẫn hẹp hơn đồ thị phương hướng của đipol

- Khi tăng dần độ dài dây dẫn (trong giới hạn vẫn đảm bảo phân phối đồng pha của

dòng điện trên dây, nghĩa là khi

0,5 2

l ≤ λ

) thì độ thị phương hướng sẽ hẹp dần lại thật vậy, sự tăng độ dài dây dẫn trong giới hạn nói trên sẽ tương đương với việc tâưng số đipol đồng pha sắp xếp theo đương thẳng Cường độ trường ở khu xạ, trên hướng vuông góc với dây dẫn sẽ bằng tổng đại số cường độ trường của các đipol riêng rẽ theo hướng này không có sai pha khoảng cách.Bức xạ được tăng cường theo hướng

0 90

θ = ±

Khi dịch chuyển điểm khảo sat khỏi hướng

0 90

θ = ±

sẽ xuất hiện sai pha khoảng cách

cos

k R kz

Cường độ trường tại điểm khảo sát trong trường hợp này sẽ nhỏ hơn trường ở hướng

0

90

θ = ±

Tổng véctơ sẽ giảm nhanh nếu điểm khảo sát càng dịch chuyển ra xa hướng 0

90

θ = ±

, hoặc khi độ dài dây dẫn tăng (z

tăng

ϕ

→V tăng) Điều này cho phép giảI thích hiện tượng tăng hướng tính anten khi tăng chiều dài dây dẫn

Việc thu hẹp đồ thị phương hướng khi tăng l

có thể được giải thích như đã trình bày ở trên, còn việc xuất hiện các cực đại phụ được giảI thích như sau Bức xạ theo hướng vuông góc với trục dây dẫn của các đipôl thuộc khu vực dòng điẹn ngược pha sẽ

bị triệt tiêu bởi các bức xạ của các đipôl thuộc dòng điện mang dấu dương, vì theo hướng này không có sai pha khoảng cách nhưng sai pha dòng điện bằng π

.Nếu dịch chuyển điểm khảo sát khỏi hướng

0 90

θ = ±

thì sẽ xuất hiện góc sai pha khoảng cách của trường tạo bởi các đipôl thuộc hai khu vực nói trên Ta có thể tìm được hướng θ

mà theo hướng

đó sai pha khoảng cách của trường tạo bởi hai khu vực dòng điện sẽ bằngπ

(

0 180

ϕ =

V

) Tổng sai pha của trường trong trường hợp này (bằng sai pha dòng điện cộng sai pha khoảng cách) sẽ bằng2π

, nghĩa là trường bức xạ tạo bởi các đipôl thuộc hai khu vực dòng điện ngược pha sẽ trở nên đồng pha nhau, và ở hướng đó sẽ xuất hiện cực đại phụ