BÁO CÁO TIỂU LUẬN TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TÍNH MoM XÁC ĐỊNH ĐÚNG HỆ SỐ CỦA ANTEN LƯỠNG CỰC VỚI ĐẶC TÍNH CÂN BẰNG ĐO

BÁO CÁO TIỂU LUẬN TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TÍNH MoM XÁC ĐỊNH ĐÚNG HỆ SỐ CỦA ANTEN LƯỠNG CỰC VỚI ĐẶC TÍNH CÂN BẰNG ĐO Tóm tắt – một phương pháp mới được đề xuất để tính toán xác định đúng các hệ số antena (AF) của một anten lưỡng cực bao gồm cả các điều kiện môi trường và thiết bị đầu cuối. Định nghĩa ban đầu của AF có thể dễ dàng thu được bằng cách kết hợp (1) phương pháp số để tính toán tương tác giữa từ trường tới và các thành phần của anten và (2) đánh giá đặc điểm của mạch kèm theo.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

BÁO CÁO TIỂU LUẬN TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

ĐỀ TÀI:

TÍNH MoM XÁC ĐỊNH ĐÚNG HỆ SỐ CỦA ANTEN LƯỠNG CỰC VỚI ĐẶC TÍNH CÂN BẰNG ĐO

Hà Nội, tháng 1/2012

Giảng viên hướng dẫn : PGS-TS ĐÀO NGỌC CHIẾN Học viên cao học : NGUYỄN NGỌC QUYẾN

TÍNH MoM XÁC ĐỊNH ĐÚNG HỆ SỐ CỦA ANTEN LƯỠNG CỰC VỚI ĐẶC TÍNH CÂN BẰNG ĐO

Takehiro Morioka và Kazuhiro Hirasawa

Tóm tắt – một phương pháp mới được đề xuất để tính toán xác định đúng các

hệ số antena (AF) của một anten lưỡng cực bao gồm cả các điều kiện môi trường

và thiết bị đầu cuối Định nghĩa ban đầu của AF có thể dễ dàng thu được bằng cách kết hợp (1) phương pháp số để tính toán tương tác giữa từ trường tới và các thành phần của anten và (2) đánh giá đặc điểm của mạch kèm theo Thu được AF bằng phương pháp được đề xuất là không bị ảnh hưởng lẫn nhau của các khớp nối và sóng này ứng dụng cho mặt phẳng là không hoàn hảo do sự tách biệt hữu hãn từ các anten truyền

Phạm vi các chỉ số - đo anten, anten lưỡng cực, đo lường điện trường, khả năng tương thích điện từ (EMC), khớp nối điện điện từ, phản xạ

I LỜI GIỚI THIỆU

Hệ số anten (AF) là quan trọng trong các phép đo giao thoa khả năng tương thích điện/điện từ để hiện thị độ nhạy của hệ thống so với trường điện từ AF của một anten chuẩn thường được tính bằng chiều dài hiệu dụng Khi mà anten được đặt trên mặt đất không dài hơn giống như trong không gian tự do Mặc dù sự phụ

thuộc vào chiều cao của là đưa vào bảng tính toán trong [1] “Điện áp nhận được

tương đối so với chiều cao anten trên mặt đất là một chức năng của cường độ trường tăng cao, và độ cao của cường dộ trường phụ thuộc vào độ dài hiệu dụng và trở kháng hiệu dụng của anten Kết quả của một cuộc điều tra thực nghiệm điện áp nhận được tương đối so với chiều cao anten bằng cách sử dụng anten điển hình EMI trong phạm vi tần số 2,5MHz đến 1GHz Trong phân tích lý thuyết trường và các hiệu ứng của anten là khoảng cách Cường độ trường tăng cao cho cả phân cực ngang và phân cực dọc và chiều dài hiệu dụng và trở kháng hiệu dụng của các mô hình anten được áp dụng”, ứng dụng để giới hạn cho cộng hưởng lưỡng cực một số

anten có một đó là khó khăn để đánh giá

Chất lượng của các vị trí kiểm tra thường được đánh giá bằng cách đo sự suy giảm vị trí chuẩn hóa (NSA) Mặc dù các đặc tính của anten khác nhau liên quan đến sự phân cực và chiều cao từ mặt đất phẳng, Ủy ban quốc tế đặc biệt về nhiễu sóng vô tuyến khuyến cáo việc sử dụng không gian tự do AF Do đó, NSA thu được không còn đáng tin cậy kể từ khi AF không gian tự do không bao gồm hiệu ứng bề mặt đất Lấy AFS cho từng điều kiện cụ thể bằng cách đo lường gần như là không

thể Phương pháp hai anten được áp dụng để có được một cặp AFS giống hệt nhau bằng cách tính toán Tuy nhiên kết quả vẫn còn chứa lien kết tương hỗ nhau ảnh hưởng giữa việc truyền và nhận về anten Ngoài ra một trường phân phối không thể

là đồng nhất lý tưởng về anten tiếp nhận một sự tách biệt hữu hạn Các sự thay đổi của trường được tạo ra bởi một lưỡng cực ngắn là 0.12 dB so với chiều dài cộng hưởng của một lưỡng cực cộng hưởng tại một sự tách biệt trên mặt đất là 30MHz

[2] “Mã số điện tử (NEC)được sử dụng để mô phỏng độ bức xạ của một khung

xương anten hình nón và mô hình được tối ưu hóa để quay trở về một điểm điều khiển trở kháng càng gần càng tốt cho các giá trị đo Các mô hình phân cực theo chiều ngang sau đó được chiếu sang trong không gian tự do và trên một mặt đất phẳng để suy ra nó là các hệ số anten sóng phẳng và biến thể của chúng như các chức năng của chiều cao Nó chỉ ra rằng những thay đổi chiều cao hiệu dụng đã được xem xét thêm vào những thay đổi trong trở kháng không phù hợp khi tính toán các biến thể hệ số anten với các anten hình nón Mặc dù chỉ có sau này là cần thiết với một lưỡng cực cộng hưởng Các thong số đo tán xạ của bộ làm cân bằng của anten hình nón sau đó được kết hợp với các mô phỏng NEC để cung cấp cho một

mô hình hoàn chỉnh của anten thực tế”

Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra một phương pháp mới không dùng anten truyền Thay vào đó, dòng điện gây ra tại các cổng anten là tính toán số lượng khi sóng phẳng với sự đồng nhất của biên độ và pha có ảnh hưởng tới các phần tử AF thu được bằng cách kết hợp tính toán dòng điện tại các cổng với các đặc điểm của

bộ làm cân bằng đo được Do đó, AFs thu được bằng phương pháp được đề xuất đáp ứng được các định nghĩa, chẳng hạn như

(1) đối với các phần tử không có sự thay đổi về biên độ và pha của ứng dụng điện trường;

(2) tự do từ các khớp nối chung với anten truyền

(3) không phản xạ tại cổng anten

Hình 1 – Điện trường tới và anten cho một phép đo cường độ trường trong không

gian tự do

II PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

Một hệ thống điển hình cho một phép đo cường độ điện trường, được thể hiện trong Hình 1 Thiết bị thu với các loại cáp kết nối được biểu diễn như một trở kháng đầu cuối của Mặc dù phương pháp của chúng tôi có thể đánh giá các loại khác của anten như một anten hình nón kép, trong bài báo này, các yếu tố được giới hạn trong anten loại lưỡng cực từ một yếu tố trực tiếp chỉ có độ nhạy với điện trường song song với trục chính

Điện trường phẳng tới , có vecto wavenumber K, có ảnh hưởng tới các yếu tố của anten như được thể hiện trong Hình 1 AF tại một tần số f được xác định là tỉ lệ cường độ điện trường song song tới trục lưỡng cực │ │để điện áp cảm ứng trên như sau:

AF(f)= (1)

Lưu ý rằng các thành phần thường được đặt đúng vị trí để có được đáp ứng tối

đa cho điện trường tới

A Trở kháng tải.

Trở kháng tải tại cổng thành phần anten được giả thiết là 100Ω bằng cách sử

dụng một quy trình hiệu chỉnh đặc biệt trong [2] “Mã số điện tử (NEC)được sử

dụng để mô phỏng độ bức xạ của một khung xương anten hình nón và mô hình được tối ưu hóa để quay trở về một điểm điều khiển trở kháng càng gần càng tốt cho các giá trị đo Các mô hình phân cực theo chiều ngang sau đó được chiếu sang trong không gian tự do và trên một mặt đất phẳng để suy ra nó là các hệ số anten sóng phẳng và biến thể của chúng như các chức năng của chiều cao Nó chỉ ra rằng những thay đổi chiều cao hiệu dụng đã được xem xét thêm vào những thay đổi trong trở kháng không phù hợp khi tính toán các biến thể hệ số anten với các anten hình nón Mặc dù chỉ có sau này là cần thiết với một lưỡng cực cộng hưởng Các thong

số đo tán xạ của bộ làm cân bằng của anten hình nón sau đó được kết hợp với các

mô phỏng NEC để cung cấp cho một mô hình hoàn chỉnh của anten thực tế”.

Ngược lại, bộ làm cân bằng và ảnh hưởng của thiết bị đầu cuối trên AF đã bao gồm các phương pháp được đề xuất bằng cách tải tại cổng của các thành phần trong tính toán phương pháp của các Mô men (MoM) Bộ làm cân bằng có ba cổng ký hiệu là α, β, và γ như thể hiện trong hình.1.Trở kháng đặc trưng của cảng được ký hiệu là, , , và , tương ứng là 50 Ω.Sự khác biệt biên độ giữa các cảng β

và γ là ít hơn 0,05 dB, và sự cân bằng pha là ± 0,5 trong phạm vi tần số được thảo luận trong bài báo này.Theo đó, các hiệu ứng của chế độ thông thường dòng

điện gây ra bởi sự không lý tưởng của bộ làm cân bằng là nhỏ không đáng kể Bằng cách giả định các pha lý tưởng và cân bằng biên độ, cổng β và γ có thể được coi như một cổng cân bằng duy nhất.Do đó, sự khác biệt đặc trưng chế độ trở kháng của các cổng kết hợp cân bằng là 100 Ω và đặc tính trở kháng ở chế độ chung của cổng không nên được đưa vào phép tính

Hình 2 Lý thuyết hình ảnh được áp dụng cho một thành phần anten thực hiện

trên mặt phẳng vô hạn

Ma trận 3 × 3 có thể được giảm ma trận 2 × 2 do

= (2)

Chỉ số d tượng trưng cho các biên độ khác biệt giữa sóng tại cổng kết hợp Định lý

tính thuận nghịch là không được áp dụng cho (2) kể từ khi các yếu tố chéo trong (2) gần như giống hệt nhau và sự khác biệt là nhỏ không đáng kể Ở đây, cổng α và cổng cân bằng được đổi tên thành cổng tương ứng là 2 và 1 Khi các điều kiện thiết

bị đầu cuối của cổng 2 được biểu diễn bởi một hệ số phản xạ , tại cổng của thành phần ăng-ten được cho bởi

= (3)

là trở kháng đặc trưng của cổng cân bằng 1 và là 100 Ω là một phần tử của

ma trận S trong (2) và chỉ số i và j cho thấy số cổng như trong Hình.1

B Điều kiện biên

Hãy xem xét các trường hợp trong đó một ăng-ten nhận được với một độ phân cực bất kỳ nằm ở độ cao trên một mặt phẳng dẫn điện vô hạn như trong Hình.2 Không gian được chia thành hai khu vực được đặt tên là khu vực 1 ở phía trên mặt phẳng dẫn điện và khu vực 2 ở bên dưới mặt phẳng dẫn điện Mặt phẳng dẫn điện

vô hạn có thể được gỡ bỏ ngang bằng cách áp dụng lý thuyết hình ảnh t là một vector đơn vị song song với mặt phẳng x-y Phân cực ngang được xác định như trường hợp khi sự việc tổng số điện trường = + song song với mặt phẳng x-y và không có thành phần vuông góc với mặt phẳng tiến hành ( z = 0) trong suốt bài viết này.Tương tự như vậy, sự phân cực dọc là trường hợp với chỉ có các thành phần vuông góc ( · t = 0).Kể từ khi nguyên tố này được làm bằng một chất dẫn hoàn hảo, các thành phần tiếp tuyến của tổng trường điện từ

bề mặt của phần tử có bán kính r phải là 0 ngoại trừ ở khoảng cách tải Bằng cách

sử dụng chức năng δ để diễn tả một khoảng cách tải vô hạn hẹp ở = 0, phương trình sau đây được lấy:

= δ ( (4)

là vector đơn vị theo hướng trục của thành phần anten, chỉ số j cho thấy số thành phần của anten, và là dòng điện chạy tại cổng các thành phần anten Cần lưu ý rằng dòng điện được giả định dòng trên trục trung tâm của phần tử kể từ khi bán kính yếu tố đủ nhỏ so với bước sóng vận hành hành.Khi ăng-ten nằm trong không gian tự do, và trong Hình.1 sẽ là 0

MoM được áp dụng cho vấn đề này và việc phân phối dòng trên các thành phần ăng-ten được tính bằng cách sử dụng phương pháp của Galerkin Dòng điện trên trục các thành phần được thể hiện bởi các chức năng mở rộng phần phụ như sau:

= (5)

là số lượng các bộ phận của anten thành phần j và là các hệ số thu được Trong MoM, chức năng khối lượng và chức năng mở rộng thành phần phụ mth

được xác định tại vị trí r’ trên các thành phần anten được giả định là hình Sin như

và là chiều dài của các thành phần phụ từ tới và từ tới , tương ứng và là véc tơ đơn vị trục của mỗi thành phần phụ [3] “

Anten điện nhỏ được quan tâm trong một loạt các ứng dụng, đặc biệt là các anten cần phải được để nơi kín đáo Các đặc tính hiệu suất được xem xét trong thiết kế anten nhỏ thường bao gồm trở kháng, khả năng bức xạ, hình dạng khuôn mẫu,phân cực và đặc biệt là băng thông hoạt động và các hệ số chất lượng (Q) Trong bài báo này chúng ta so sánh các đặc tính hiệu suất của thiết kế mẫu cơ bản anten nhỏ như một chức năng của tổng thể chiều cao và kích thước (Ka Anten nghiên cứu ở đây bao gồm nhiều nhánh xoắn xếp lại, điều khiển phù hợp nạp cho lưỡng cực, sự kết hợp nắp lưỡng cực hình cầu và nhiều nhánh hình cầu cộng hưởng Các anten được

so sánh để xác định cấu hình cung cấp hiệu suất tốt nhất về hình dạng mô hình, khả năng bức xạ và ½ năng lượng và 2:1 băng thông VSWR” Tính hiệu lực của mã

MoM đã được thể hiện bởi việc so sánh giữa các kết quả tính toán và đo lường

trong các nghiên cứu [4] “ Với sự phát triển của truyền thông không dây anten

nhiều là cần thiết cho các mục đích khác nhau và nó thường xuyên được yêu cầu phải có các anten gần nhau trong một khu vực giới hạn công suất bức xạ từ một anten nhận được bởi các anten khác xung quanh nó thường tạo ra vấn đề suy hao

hệ thống Các nghiên cứu về cải tiến các đặc tính của anten bằng cách thêm các thành phần ký sinh các mẫu bức xạ của anten chủ yếu tập trung vào Các nghiên cứu nhỏ trên các khớp nối giữa các cổng cấp tới khe cắm của các anten đã được thực hiện Chúng tôi đã báo cáo các đặc tính khớp nối giữa hai anten đơn cực được thiết kế để hoạt động tại các tần số khác nhau và đề xuất các phương pháp giảm bớt khớp nối ở cả hai tần số bằng cách sử dụng một khe cắm tải trung tâm.

Trong bài báo này khớp nối giữa hai khe cắp anten nửa bước sóng trên một mặt phẳng dẫn điện vô hạn được phân tích và một dây ký sinh được đưa vào giữa các khe cắm để giảm bớt khớp nối Một hệ số khớp nối được sử dụng để đánh giá khớp nối giữa các khe cắm sau đó các đặc trưng bức xạ của các anten trên một mặt

phẳng dẫn điện hình chữ nhật được tính bằng cách sử dụng phương pháp lai ghép của phương pháp Mô men MM và lý thuyết hình học của sự nhiễu xạ bao gồm các trường điện từ nhiễu xạ”, [5] “ Năng lượng thu được và phân tán của một dây anten nhận được được tính theo phương pháp Momem và mối quan hệ giữa năng lượng phận tán và nhận được được nghiên cứu” Khi tại cổng ăng-ten thu được

dòng , có thể dễ dàng thu được bằng mối quan hệ sau đây:

là đặc tính trở kháng của cổng 2 ( = ) Bằng việc thay thế và (7) vào (1), đã nhận được AF chứa đặc tính của bộ làm cân bằng

III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Xác định được các AF trong không gian tự do và trong một nửa không gian với phân cực ngang và dọc có tên là , , và , tương ứng Tương ứng với AFs trong một nửa không gian, chiều cao anten tính từ mặt phẳng dẫn điện cần được xác định thêm vào sự phân cực Tính không đấy đủ của điều kiện (1) và (2) trong mục chủ yếu là gây ra bởi các anten truyền phát ở một khoảng cách hữu hạn

từ các anten theo cân chỉnh (AUC) Thêm vào đó, một sự kiện độ dốc điện trường là một nguồn khác vi phạm điều kiện (1) Không phù hợp tại cổng anten vi phạm điều kiện (3)

A Ảnh hưởng của trường ứng dụng không hoàn hảo

1) Khoảng cách hữu hạn

Từ khi một anten truyền là cần thiết cho các phương pháp đo lường và tính toán thông thường, AF thu được là chức năng của khoảng cách giữa các thành phần anten và các khớp nối lẫn nhau và trường ứng dụng không đều được gây ra bởi khoảng cách hữu hạn giữa các anten truyền và AUC Hình3 cho thấy độ chênh lệch của AF theo phương pháp hai ăng-ten từ theo phương pháp đề xuất đối với việckhoảng cách ăng-ten ở mức 50 MHz.Ba biểu đồ cho các trường hợp khi các ăng-ten được đặt trong không gian tự do, và phân cực theo chiều ngang và theo chiều dọc trong một nửa không gian

Hình 3 Các độ lệch của anten bằng phương pháp 2 anten về phương diện khoảng cách giữa anten phát và anten thu 2 anten giống hệt nhau đặt ở vị

trí 2.0m phía trên mặt phẳng dẫn điện.

Hình 4 Đặc tính tần số của cho các môi trường đặc trưng anten

Chiều dài và bán kính của phần tử ăng-ten tương ứng là 2.869m và 4,75 mm, và thành phần này được thiết kế để cộng hưởng ở 50 MHz Khi các ăng-ten được đặt trong một nửa không gian, chiều cao của điểm cung cấp của thành tử ăng-ten là 2,0

m trên mặt phẳng dẫn điện Mặc dù tât cả các đồ thị dao động đối với khoảng cách,

để giảm bớt độ lệch của AF từ (khoảng cách vô hạn) ít hơn 0.1 dB Khoảng cách phải được ít nhất là xấp xỉ 8m cho không gian tự do, xấp xỉ 12m cho phân cực ngang, và xấp xỉ 13 m cho phân cực dọc trong một nửa không gian Tất cả các đồ thị đều hội tụ tới bằng phương pháp đề xuất và điều này cho ta thấy rõ được giá trị của phương pháp này Đối với sự phân cực dọc, rất khó để đạt được một điện trường ứng dụng không có sự thay đổi về biên độ và pha dọc theo thành phần anten bằng cách sử dụng một anten truyền phát ở một khoảng cách hữu hạn Ngược lại với các phương pháp sử dụng một anten truyền, trường điện từ ứng dụng đồng nhất trên các thành phần có thể dễ dàng nhận thấy bằng phương pháp đề xuất Khi các anten được đặt trong một nửa không gian, một số lượng lớn anten được sắp xếp là

có thể thực hiện được và nó dẫn đến tính toán hoặc lớn để tìm ra một sự sắp xếp phù hợp các anten để thu được tựa như

Hình 4 cho thấy các đặc tính tần số của AF của , , và của một lưỡng cực Một anten lưỡng cực có chiều dài và bán kính được sử dụng là 1,797 m và 2,4 mm Thành phần anten này tạo nên tiếng vang khoảng 80MHz trong không gian tự do Khi ăng-ten nằm ở một nửa không gian, điểm nguồn cấp dữ liệu của phần tử ăng-ten nằm ở vị trí 2,0 m trên mặt phẳng dẫn điện

Khi anten nằm ở một nửa không gian, độ chênh lệch lớn hơn từ trên 60MHz so với do các khớp nối tương hỗ với mặt phẳng dẫn điện trên 60MHz Ngược lại, và gần như giống nhau trong toàn bộ dải tần

số từ các khớp nối lẫn nhau là nhỏ hơn nhiều so với sự phân cực ngang do các đặc tính bức xạ của phần tử lưỡng cực Tuy nhiên , , và ở tần số dưới 60MHz là gần như giống hệt nhau Điều này có nghĩa là một anten lưỡng cực ngắn hơn 75% của nửa bước sóng của tần số được thiết kế là không còn nhạy cảm với điều kiện môi trường Theo đó, khi AF của một anten lưỡng cực rút ngắn được hiệu chỉnh đúng cách trên mặt đất, AF có thể được sử dụng như AF trong không gian tự do với sự không chắc chắn nhỏ Tuy nhiên, AF của một anten lưỡng cực rút ngắn là lớn hơn so với tần số cộng hưởng

2) Trường xiên tới: