III. Đặc tính phương hướng của Anten chấn tử đối xứng trình bày bằng Matlab

Các đặc tính của Anten chấn tử đối xứ

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, khoa học công nghệ phát triển như vũ bão trên mọilĩnh vực với hàng loạt những nghiên cứu, phát minh mới đã góp phần không nhỏtrong việc nâng cao trình độ sản xuất và đời sống của con người Một trong nhữnglĩnh vực được đánh giá là có triển vọng nhất và được coi là thế mạnh của Việt Namhiện nay phải kể đến viễn thông, nó làm cho con người xích lại gần nhau hơn, làmcho khoảng cách địa lý không còn ý nghĩa nữa

Đóng góp vào sự phát triển mạnh mẽ nói trên chúng ta phải nói đến sự pháttriển của các thiết bị thu phát và khả năng truyền lan sóng điện từ hiện nay, bởi lẽhầu hết các hệ thống truyền dẫn thông tin, liên lạc chúng đều sử dụng phương thứctruyền lan sóng điện từ là chủ yếu

Các thiết bị thu phát và chuyển tiếp sóng điện từ gọi chung là anten Tuỳ theođiều kiện công tác, mục đích sử dụng cũng như kết cấu của các hệ thống viễn thông

mà ta sử dụng nhiều loại anten khác nhau: anten chấn tử, anten khe, anten mạch dải,anten gương, anten xoắn…

Do nhu cầu thông tin, liên lạc, truyền tải dữ liệu ngày càng cao nên các băngtần ở dải sóng dài, sóng trung dần dần bị thay thế bởi các băng tần ở dải sóng ngắn

và cực ngắn Với lợi thế là khả năng bức xạ tốt ở các dải sóng này cùng với kết cấutương đối đơn giản, dễ dàng điều chỉnh và kết hợp với các loại anten khác để tạothành một hệ bức xạ mà anten chấn tử là lựa chọn tối ưu trong hầu hết các thiết bị

vô tuyến điện

Trong phạm vi đề tài này, em đã nghiên cứu đặc tính phương hướng của chấn

tử đối xứng và biểu diễn trực quan bằng trương trình matlab Đồng thời đưa ra một

số bài toán về đặc tính phương hướng của chấn tử đối xứng

Nội dung đề tài bao gồm 3 phần :

I Khái quát về Anten và Anten chấn tử đối xứng

II Các đặc tính của Anten chấn tử đối xứng

III Đặc tính phương hướng của Anten chấn tử đối xứng trình bày bằng

Mặc dù đã cố gắng để hoàn thiện đồ án này, nhưng sẽ không tránh khỏi nhữngthiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạnsinh viên quan tâm đến vấn đề này để xây dựng nên một đề tài hoàn thiện hơn.

Chương I KHÁI QUÁT VỀ ANTEN VÀ ANTNE CHẤN TỬ ĐỐI

XỨNG 1.1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ANTEN

1.1.1: Khái niệm Anten và vị trí của Anten trong thông tin vô tuyến điện

Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ trong không gian bên ngoài

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vôtuyến điện nào, bởi vì đã là hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụngsóng điện từ nên không thể thiếu thiết bị thu phát sóng điện từ hay chính là Anten.Một hệ thống truyền dẫn đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, Anten phát vàAnten thu (Hình1.1) Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến,

vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyếnđiều khiển từ xa…

Hình 1.1: Hệ thống truyền tin đơn giản

Ở nơi phát, sóng điện từ cao tần được truyền dẫn từ máy phát đến Anten thôngqua hệ thống fidơ dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biếnđổi sóng điện từ ràng buộc trong fidơ thành sóng điện từ tự do bức xạ ra khônggian Cấu tạo của Anten quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện nói trên Tạinơi thu, Anten làm nhiệm vụ ngược lại với Anten phát, Anten thu tiếp nhận sóngđiện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng

Đầu ranhận tin

Nguồn

tin Thiết bị

xử lý tín hiệu

Máy phát

Máy thu

Thiết bị

xử lý tín hiệu Anten phát Anten thu

buộc, sóng này được truyền theo fidơ đến máy thu Yêu cầu của thiết bị Anten –fidơ là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng sóng điện từ với hiệu quảcao nhất và không gây méo dạng tín hiệu

Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau thì có những yêu cầu khácnhau Với các đài phát thanh, vô tuyến truyền hình thì Anten cần bức xạ đồng đềutrong mặt phẳng ngang (mặt đất), để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đềuthu được tín hiệu của đài Xong Anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳngđứng với hướng cực đại song song mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhậnđược tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo hướng không cầnthiết

Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin truyền tiếp, rađa, vô tuyến điềukhiển … thì lại yêu cầu Anten bức xạ với hướng tính cao (sóng bức xạ chỉ tập trungvào một góc rất hẹp trong không gian)

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

1.1.2: Phân loại Anten, một số Anten thông dụng

a Phân loại Anten

Anten có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, thường theo các cách phân loại sau:

- Công dụng của Anten: Anten có thể được phân loại thành Anten phát, Antenthu hoặc Anten thu phát dùng chung Thông thường Anten làm nhiệm vụ cho cả phát và thu

- Dải tần công tác của Anten: Anten sóng dài, Anten sóng trung, Anten sóng ngắn và Anten sóng cực ngắn

- Cấu trúc của Anten:

- Đồ thị phương hướng của Anten: Anten vô hướng và Anten có hướng

- Phương pháp cấp điện cho Anten: Anten đối xứng và Anten không đối xứng

b.Một số Anten thông dụng

Trong thực tế có một số loại Anten thông dụng sau:

Hình 1.2: Một số loại anten thông dụng

Anten Parabol Anten Loga chu kỳ

Phiến kim loại Lớp đế điện môi

Anten mạch dải Màn chắn kim loại

Điểmcấp

Bộ dịch pha

Anten Mảng

1.2.3 Các thông số cơ bản của Anten

Để đánh giá, lựa chọn hoặc sử dụng tốt một anten phải dựa trên những đặc tính

và tham số của nó Dưới đây là những đặc tính và tham số cơ bản của anten

a Hàm tính hướng

Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạcủa anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi,được ký hiệu là f  ( , )

Hàm tính hướng được thể hiện ở các dạng sau:

Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng là hàm véc tơ phức, bao gồmcác thành phần theo θ và φ

f   f   i  f   i (1.1)

Để đơn giản cho việc khảo sát tính hướng của một anten cũng như thiết lập

và phân tích đồ thị phương hướng ta thường dùng một hàm biên độ chuẩn hóa, làhàm số biểu thị biên độ cường độ trường ở hướng khảo sát trên biên độ cường độtrường ở hướng cực đại

,,

, m

f F

đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại

đồ thị có thể hiển thị dễ dàng trên giấy(Hình 1.3)

Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độchuẩn hóa và được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa của anten Nó cho phép

so sánh đồ thị phương hướng của các anten khác nhau

Từ đồ thị phương hướng ta nhận thấy rằng, giá trị trường bức xạ biến đổi theo

thị phương hướng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thịphương hướng hay còn gọi là độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng được xác địnhbởi góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức

xạ giảm đi một giá trị nhất định Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thườngthì độ rộng búp sóng nửa công suất được sử dụng Độ rộng búp sóng nửa công suất

là góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa sovới công suất bức xạ cực đại Nếu tính theo giá trị của cường độ điện trường thì độrộng búp sóng này ứng với góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ điệntrường giảm đi 2 lần so với giá trị cực đại của anten trong tọa độ cực

Nếu tính theo đơn vị decibel (dB), khi công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứngvới công suất sẽ giảm 3 dB Bởi vậy độ rộng búp sóng nửa công suất còn được gọi

là độ rộng búp sóng 3 dB, ký hiệu là θ3dB (hình 1.4)

Như vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xạ theomột hướng nào đó, nếu góc θ3dB càng bé thì anten đó tập trung công suất bức xạcàng mạnh

a Trong hệ tọa độ cực b Trong hệ tọa độ vuông

Hình 1.3 Ví dụ đồ thị phương hướng

o

0,25 0,50 0,75 1,0

0 180

0

0 90 2

/ max

P

2 / max

P

max

P

) (

Hình 1.4 Độ rộng của đồ thị phương hướng

c Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten

Công suất cấp cho Anten bao gồm cả công suất tổn hao Pth trên đường truyền

và trong quá trình biến đổi năng lượng; và công suất bức xạ Pbx

A bx th

P P P (1.3)Một cách hình thức ta có thể coi công suất bức xạ của anten tương tự như côngsuất tiêu hao trên một điện trở tương đương Rbx nào đó Khi ấy ta có thể viết

2

Rbx : điện trở bức xạ của anten

Hiệu suất của anten, ηA, chính là tỷ số giữa công suất bức xạ, Pbx và công suấtmáy phát đưa vào anten, (PA)

bx A A

P P

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten Thôngthường hiệu suất của anten luôn nhỏ hơn 1

d Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại của anten

Hệ số hướng tính (còn gọi là hệ số phương hướng) và hệ số khuếch đại (còngọi là hệ số tăng ích hay độ lợi) là các thông số cho phép cho phép đánh giá tínhphương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trường bức

xạ trên cơ sở các biểu thức hoặc đồ thị so sánh với anten lý tưởng (hoặc antenchuẩn) Như vậy việc so sánh các anten với nhau và lựa chọn loại anten thích hợpcho tuyến thông tin cần thiết trở nên dễ dàng

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất làm việc 100% và năng lượng bức xạsóng điện từ đồng đều ở tất cả các hướng Anten lý tưởng được xem như nguồn bức

xạ vô hướng hoặc một chấn tử đối xứng nửa bước sóng

 Hệ số hướng tính

Hệ số hướng tính của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức

xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùnghướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất bức xạ của hai anten lànhư nhau

 Hệ số khuếch đại của anten

Hệ số khuếch đại của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức

xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùnghướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất đưa vào của hai anten lànhư nhau và anten chuẩn (anten vô hướng) có hiệu suất bằng 1

Hình 1.6 Đồ thị phương hướng

Lưu ý rằng, ta thường chọn phương chuẩn là phương bức xạ cực đại của antennên sau này khi chỉ dùng các kí hiệu D và G, đó chính là hệ số hướng tính và hệ sốkhuếch đại ở hướng bức xạ cực đại

e Trở kháng vào của anten

Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu trực tiếp hay qua fidơ, anten sẽ trởthành tải của máy phát hoặc máy thu Trị số của tải này được đặc trưng bởi một đạilượng gọi là trở kháng vào của anten Trong trường hợp tổng quát, trở kháng vào làmột đại lượng phức bao gồm cả phần thực và phần kháng, được xác định bằng tỷ sốgiữa điện áp đầu vào của anten và dòng điện đầu vào

f Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống thông tin vô tuyến, ví dụ trong thông tin vệ tinh, côngsuất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức

xạ đẳng hướng tương đương, ký hiệu là EIRP Công suất này được định nghĩa:

Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và GT là hệ sốkhuếch đại của anten phát Chú ý rằng, nếu bỏ qua suy hao fiđơ nối từ máy phát đếnanten thì PA = PT

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương là công suất phát được bức xạ vớianten vô hướng, trong trường hợp này có thể coi GT = 1

Aten omni-directional Aten có hướng

Biểu thức EIRP cũng có thể tính theo đơn vị decibel

EIRP(dBw) 10lg P G T T

(1.10)

g Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng

Khả năng làm việc của anten thu được biểu thị bởi một tham số gọi là diện tíchhiệu dụng hoặc chiều dài hiệu dụng của anten

Diện tích hiệu dụng được xác định bởi biểu thức:

h Dải tần công tác của anten

Dải tần công tác của anten là khoảng tần số làm việc của anten mad trongkhoảng tần số đó các thông số của anten không thay đổi hoặc thay đổi trong phạm

Trong đó  f f max fmin và fo, fmax, fmin là tần số trung tâm, tần số cực đại và tần

số cực tiểu của dải tần

i Hệ số bảo vệ của anten

Để giảm can nhiễu ra các hệ thống khác, đồng thời làm tăng tính hướng củaanten trong các hệ thống thông tin vô tuyến, anten yêu cầu phải có bức xạ ở hướngcực đại lớn hơn một giá trị nào đó so với các hướng bức xạ khác Giá trị yêu cầunày lớn hay nhỏ phụ thuộc vào đặc điểm của từng hệ thống thông tin và phương bức

xạ phụ so với phương bức xạ cực đại Tính chất đó của anten được biểu thị bởi một

hệ số gọi là hệ số bảo vệ, Kbv, được tính bằng tỷ số bình phương cường độ điện

trường tạo bởi anten ở hướng bức xạ cực đại trên bình phương cường độ điệntrường ở hướng đang xét

a.Dipol điện

Dipol điện là phần tử dẫn diện thẳng, rất mảnh, có độ dài rất nhỏ so với bướcsóng công tác (l), trên đó có dòng điện mà biên độ và pha được xem là đồngđều ở mọi điểm Phân bố dòng điện trên dipol và các đường sức điện trường, từtrường do dipol gây ra được chỉ trong hình 1.4a

a)Hình vẽ tính bức xạ của dipol

Đặt dipol vào trong hệ tọa độ cầu có tâm O trùng với tâm của dipol và chiềudài của chấn tử hướng theo trục z (hình 14b) Trường điện từ tại một điểm M bất kỳtrên hình cầu có tọa độ M(r,,) sẽ được xác định bởi các biểu thức sau:

400

sin4

ikr e

ikr e

r E

Z: là trở kháng sóng của môi trường truyền lan

Trong không gian tự do Z = 120  ()

Ie : là dòng điện trong dipol điện

R: là khoảng cách từ tâm O dến điểm khảo sát M

l : chiều dài của dipol

,: là các góc của hệ tọa độ cầu

Từ công thức trên có nhận xét:

Trường bức xạ của dipol điện là trường phân cực đường thẳng Mặt phẳngđiện trường là mặt phẳng chức trục dipol còn mặt phẳng từ trường là mặt phẳngvuông góc với trục của dipol

 Tại mỗi điểm khảo sát các véc tơ E và H đều có góc pha giống nhaunên năng lượng của trường bức xạ là năng lượng thực

 Hàm tính hướng tổng quát của dipol điện sẽ là:

f   ZI l i (1.14)

 Hàm tính hướng biên độ :

f  ,  ZI l e sin (1.15)

 Hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa:

F   sin với  = const (1.16)

F  c với  = constNhư vậy hàm tính hướng của dipol chỉ phụ thuộc vào góc  mà không phụthuộc vào góc , nghĩa là trường bức xạ của dipol điện có tính hướng trong mặt

phẳng E và vô hướng trong mặt phẳng H Nếu chỉ xét một mặt phẳng đi qua tâmcủa dipol điện thì ở mọi phương khảo sát trong mặt phẳng đó đều có góc  = 900

nên hàm tính hướng trong mặt phẳng H sẽ là F    1

Đồ thị phương hướng của đipol điện được cho ở hình sau:

Hình 1.5 Đồ thị phương hướng của dipol điện

 Công suất bức xạ của đipol điện được xác định bằng cách tích phân

2 2

2

0 0

3 0

e bx

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

Như vậy điện trở bức xạ phụ thuộc vào chiều dài tương đối l/ của dipol vàcác thông số của môi trường.

Hệ số hướng tính của dipol

0

sin4

sin4

0

ikr m

ikr m

Trong thực tế không có dòng từ mà chỉ có dòng từ tương đương, nghĩa là chỉ

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

Khi điện trường bức xạ của dipol điện có giá trị bằng điện trường bức xạ củadipol từ thì dòng từ của dipol từ phải có giá trị gấp Z lần dòng điện của dipole điện,nghĩa là :I m ZI e

Nếu mômen điện và mô men từ của hai dipol bằng nhau thì trường tạo ra bởidipol từ sẽ nhỏ hơn trường tạo ra bởi dipol điện Z lần, điều đó có nghĩa công suấtbức xạ của dipol từ nhỏ hơn công suất bức xạ của dipol điện Z2 lần

Công suất bức xạ của đipol điện được xác định:

2 2

23

e

m bx bx

a) Hình vẽ tính bức xạ của dipol từ b) Phân bố dòng và trường của dipol từ

Hình 1.6 Khảo sát trường bức xạ của dipole từ

1.2: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG

1.2.1: Khái niệm, cấu tạo và ứng dụng của Anten chấn tử đối xứng

Chấn tử đối xứng là loại Anten đơn giản nhất và là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng khá phổ biến Chấn tử đối xứng có thể sử dụng như một Antenđộc lập hoặc có thể được sử dụng để cấu tạo các Anten phức tạp khác

Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn có hình dạng tuỳý( hình trụ, hình chóp, elipsoit…) có kích thước giống nhau, đặt thẳng hàng trongkhông gian, và ở giữa chúng được nối với nguồn dao động cao tần

l/2 l/2

2a

Hình 1.7: Chấn tử đối xứng

Chấn tử có dạng như hình vẽ trên, với một dây gồm hai nửa thẳng hàng, chiều

dài l và 2l hoặc l/2 và l Giả thiết 2a 0.01

  với a là bán kính dây

Trong một số tài liệu kỹ thuật, người ta dùng thuật ngữ Anten dipol ( Anten lưỡng cực) để chỉ cho chấn tử đối xứng

Anten chấn tử đối xứng là việc ở các dải sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng dài

và sóng trung Nhưng chủ yếu được ứng dụng trong dải sóng ngắn và sóng cực ngắnlàm Anten thu và phát Trong các dải sóng này Anten có thể làm việc độc lập hoặc làm việc phối hợp Trong dải sóng cực ngắn chấn tử đối xứng còn được sử dụng làm bộ chiếu xạ cho các Anten phức tạp khác(vd: Anten gương parabon)

1.2.2 Các dạng khác của Anten chấn tử

a Các dạng khác của chấn tử đơn giản

Chấn tử đơn giản được ứng dụng phổ biến nhất là chấn tử nửa sóng Phụ thuộcvào cách tiếp điện ta có các dạng Anten sau:

Chấn tử kiểu Y

Chấn tử kiểu Y là chấn tử nửa sóng được tiếp điện bằng dây song hành mắc song song Hai nhánh chấn tử được nối ngắn mạch ở giữa còn dây song hành được nối vào 2 điểm A-A trên chấn tử

Chấn tử kiểu Y cho phép phối hợp tốt chấn tử và fide song hành ở một tần số nhất định, không cần mắc thêm phần tử điều chỉnh phụ Ngoài ra ta có thể nối trực

tiếp điểm giữa của chấn tử với cột hoặc giá đỡ kim loại mà không cần cách điện vì điểm giữa chấn tử trong trường hợp này chính là điểm nút diện áp.

 Chấn tử kiểu T

Cũng là một chấn tử nửa sóng được tiếp điện bằng dây song hành mắc song song Điểm khác là trong trường hợp này đoạn fide chuyển tiếp đã biến dạng thành dây dẫn song song với chấn tử nên có sự kahcs biệt về trở kháng sóng

Chấn tử kiểu T là một hình thức trung gian Nó có thể biến đổi để tạo thành sơ

đồ chấn tử kiểu khác, trong đó có chấn tử vòng dẹt và chấn tử omega

b Một số kỹ thuật giảm nhỏ kích thước chấn tử làm việc ở dải xóng dài và sóng

trung

Yêu cầu giảm nhỏ kích thước Anten là một trong những yêu cầu cấp bách đối với kỹ thuật viễn thông hiện nay Ở dải sóng dài và sóng trung, do bước sóng lớn nên kích thước Anten khá đồ sộ, rất tốn kém trong xây dựng và bảo quản.Để giảm nhỏ kích thước của Anten ta có một số biện phá như sau:

1 Dùng tải điện kháng(dung tính hay cảm tính) để điều chỉnh phân bố dòng điện

2 Thực hiện Anten bằng kết cấu có vận tốc pha nhỏ(kết cấu sóng chậm)

3 Kết hợp Anten với mạch tích cựu

 Phương pháp dùng tải điện kháng

Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng quyết định đến việc hình thành

đồ thị phương hướng bức xạ là quy luật phân bố dòng điện dọc theo chấn tử Ởphương pháp này để thay đổi phân bố dòng điện trên chấn tử ta mắc ở đầu cuối của

nó tải thuần kháng dung tính có dạng khối kim loại hình đĩa hoặc hình cầu

Phân bố dòng điện trong trường hợp này có thể được xác định theo phươngpháp gần đúng, khi coi chấn tử tương đương với một đoạn dây song hành mắc tảiđiện dung ở đầu cuối Do mắc tải nên trở kháng đầu cuối có giá trị hữu hạn, dòngđiện đầu cuối sẽ khác không, nghĩa là phân bố dòng điện sẽ tương tự trường hợpchấn tử được kéo dài thêm một đoạnl td Như vậy một chấn tử đối xứng có tải

chiều dài mỗi nhánh

2

l

có thể được thay thế bằng một chấn tử đối xứng không

tải với độ dài mỗi nhánh bằng:

Trong đó: Ic là dòng điện ở cuối chấn tử(chỗ mắc tải)

z là tọa độ điểm khảo sát tính từ đầu vào chấn tử

Cường độ bức xạ của chấn tử:

 

W2

Khảo sát đồ thị trên rút ra được một số kết luận thực tế, quan trọng là có thểbảo toàn dạng của đồ thị phương hướng của chấn tử khi giảm nhỏ kích thước củachúng bằng cách mắc tải điện dung thích hợp ở đầu cuối chấn tử Phương pháp nàyđược ứng dụng rộng rãi để thiết lập các Anten sóng dài và sóng trung, cho phépgiảm nhỏ kích thước của Anten khoảng 20-30%

Ở trên ta khảo sát phương pháp giảm nhỏ kích thước bằng cách mắc tải dungtính ở đầu cuối để phân bố dòng điện Việc này cũng có thể thực hiện được bằngcách mắc tải càm tính nối tiếp tại điểm giữa trên hai nhánh chấn tử Trong một vàitrường có thể sử dụng hỗn hợp cả hai cách để đạ được hiệu quả cao hơn

Phương pháp dùng đường dây sóng chậm

Việc giảm nhỏ kích thước của chấn tử có thể được thực hiện bằng cách sửdụng các đường dây sóng chậm

Về nguyên tắc có thể sử dụng bất cứ đường dây sóng chậm nào mà đối với nó

có thể áp dụng khái niệm trở kháng bề mặt (hay ipedang bề mặt), nghĩa là khi trênmặt ngoài của nó có các thành phần tiếp tuyến của điện trường và từ trường có giátrị khác không Tuy nhiên việc lựa chọn loại đường dây sóng chậm xuất phát từ cácyêu cầu có liên quan đến thong số cảu các kết cấu ấy, trong đó hai thông số quantrọng là hệ số chậm và hệ số suy giảm của kết cấu Thông số hệ số chậm có ảnhhưởng đến khả năng rút ngắn kích thước của Anten, thông số hệ số suy giảm ảnhhưởng đến hiệu suất của Anten

Các đường dây sóng chậm thường gặp là các dây dẫn kim loại có phủ lớp điệnmôi hoặc ferit, trục kim loại hình răng lược Các chấn sử dụng loại dây sóng chậmnày được gọi là chấn tử impedang

Sử dụng các đường truyền sóng chậm để thiết lập Anten chấn tử cho phépnhận được hệ số rút ngắn Anten khoảng 2-5 lần (hệ số rút ngắn Anten được địnhnghĩa bằng tỷ số giữa tần số cộng hưởng của chấn tử kim loại thường có cùng chiềudài và tần số cộng hưởng của chấn tử làm bằng đường dây sóng chậm)

Các chấn tử impedang có nhược điểm là phải sử dụng các vật liệu điện môihược từ môi gây tổn hao trong các môi trường ấy và do đó làm giảm hiệu suất củaAnten Để khắc phục có thể thay thế môi trường bao quang dây dẫn(điện môi hayferit) bởi đường dây xoắn

 Kết hợp Anten với các phần tử tích cực

Biết rằng khi đơn thuần giảm nhỏ kích thước của Anten thì độ dài hiệu dụngcủa Anten cũng đồng thời giảm đi và sẽ dẫn đến giảm sức điện động nhận được ởđầu ra Aten khi Anten làm việc ở chế độ thu và giảm cường độ trường bức xạ củaAnten khi Anten làm việc ở chế độ phát

Để đảm bảo đặc tính của Anten khi giảm nhỏ kích thước cần có biện pháp bùlại sự giảm độ dài hiệu dụng của Anten Một trong những biện pháp có hiệu quả đểkhắc phục nhược điểm khi giảm nhỏ kích thước Anten là kết hợp Anten với cácphần tử (hay mạch) tích cực Ta gọi Anten là Anten tích cực.việc hợp nhất Anten và

và trong một số trường hợp còn có thể tạo ra cho Anten một số chức năng mới mà ởcác Anten thường không có Ngoài ra khi kết hợp Anten và mạch thì giữa Anten vàmáy thu hay máy phát không cần các phần tử phối hợp điều chỉnh như các trườnghợp thông thường, giảm bớt chiều dài fide mắc giữa Anten và thiết bị thu –phát, do

đó giảm tổn hao cao tần và giảm tạp âm nhiệt của Anten

Cần lưu ý rằng kết hợp Anten với mạch tích cực thì sự cải thiện hệ số tăng íchAnten không có liên quan đến việc cải thiện giản đồ hướng tính Trong các trườnghợp này hàm phương hướng chuẩn hóa của Anten vẫn chỉ được quyết định bởi độdài thực của Anten và do đó giảm nhỏ kích thước Anten cũng vẫn dẫn đến giảmhướng tính, nghĩa là dẫn đến mở rộng đồ thị phương hướng

Tuy nhiên, việc kết hợp Anten với phần tử hay mạch tích cực trong một sốtrường hợp cho phép dễ dàng sử dụng Aanten làm phần tử của các hệ thống bức xạ

để thiết lập đồ thị phương hướng theo yêu cầu cho trước, để thiết lập Anten điềukhiển đồ thị phương hướng bằng phương pháp điện hay hệ thống bức xạ có thựchiện bước đầu việc sử lý tín hiệu

Chương II CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 2.1 PHÂN BỐ DÒNG ĐIỆN TRÊN ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG

Một trong những vấn đề cơ bản khi khảo sát các Anten là xác định trường bức

xạ tạo ra trong không gian và các thông số của Anten Như vậy cần biết phân bốdòng điện trên Anten đó Có thể sử dụng lý thuyết đường dây song hành để xácđịnh phân bố dòng điện trên chấn tử đối xứng dựa trên suy luận về sự tương tự giữachấn tử và đường dây song hành hở mạch đầu cuối không tổn hao

Một đường dây song hành hở mạch dầu cuối, nếu mở rộng hai nhánh của đường dây ra 1800 ta sẽ được chấn tử đối xứng Việc mở rộng này làm mất tính đối xứng của đường dây song hành và làm cho sóng điện từ bức xạ ra không gian bên ngoài tạo thành Anten

Hình 2.1: Sự tương quan giữa chấn tử đối xứng và đường dây song hành

Giả sử khi biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng thì quy luậtphân bố dòng điện trên hai nhánh vẫn không thay đổi, nghĩa là vẫn có dạng sóngđứng:

Tuy nhiên, những suy luận về sự tương tự nêu trên chỉ có tính chất gần đúng vìgiữa hai hệ thống này có những điểm khác biệt, đó là:

- Các thông số phân bố của đường dây không biến đổi dọc theo dây, còn cácthông số phân bố của chấn tử thì biến đổi ứng với các vị trí khác nhau trên chấn tử

- Đường dây song hành là hệ thống truyền dẫn năng lượng sóng điện từ cònchấn tử đối xứng là hệ thống bức xạ

- Trên đường dây song hành không tổn hao, hở mạch đầu cuối, dòng điện chỉbiến đổi theo quy luật sóng đứng thuần túy, dạng sin, còn đối với chấn tử luôn có sựmất mát năng lượng do bức xạ (mất mát hữu ích) Do đó nói một cách chính xác thìphân bố dòng điện trên chấn tử sẽ không theo quy luật sóng đứng hình sin Tuynhiên với các chấn tử rất mảnh (đường kính << 0,01) khi tính trường ở khu xa dựatheo giả thiết phân bố dòng điện hình sin cũng nhận được kết quả khá phù hợp vớithực nghiệm Vì vậy, trong phần lớn các tính toán kỹ thuật có thể cho phép áp dụnggiả thiết gần đúng về phân bố dòng điện sóng đứng hình sin

Biết quy luật phân bố của dòng điện trên chấn tử sẽ xác định được quy luậtphân bố gần đúng của điện tích bằng cách áp dụng phương trình bảo toàn điện tích

Có thể giả thiết dòng điện trên chấn tử chỉ có thành phần dọc Iz, điện tích nằm trên

Qz điện tích mặt trên một đơn vị chiều dài chấn tử

Giải phương trình (2.1) trong đó thay Iz bởi phương trình (1.6) ta được điệntích phân bố trên một đơn vị dài chấn tử là:

 

 

osk l-z , 0 osk l+z , 0

b zl

b zl

kI

i kI

l  : chấn tử nửa sóng 0

3 44

 0.625

l : trường hợp giới hạn 0

3 31

 Phân bố dòng điện và điện tích trên chấn tử đối xứng được chỉ trong hình vẽ

Hình 2.2: Phân bố dòng điện và điện tích trên chấn tử đối xứng

2.2 TRƯỜNG BỨC XẠ CỦA ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG

TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO

2.2.1 Điều kiện xét

Một chấn tử đối xứng có chiều dài l được đặt trong một môi trường đồng nhất,đẳng hướng và không hấp thụ (môi trường không gian tự do) Xét trường bức xạ của chấn tử tại một điểm M, cách tâm chấn tử một khoảng r khá xa nguồn, ở hướng

mà đường thẳng nối điểm M với tâm chấn tử hợp với trục chấn tử một góc 

2.2.1 Tính cường độ trường

Xét trong mặt phẳng chứa 0z, đẳng hướng theo , đặc tính hướng phụ thuộc

Hình 2.3: Mô tả các thông số tính trường bức xạ của chấn tử đối xứng

trong không gian tự do

Chia chấn tử thành các đoạn dz vô cùng bé (dz<<), xét trường do đoạn dz gây

ra tại M Vì dz <<  nên nó tương đương như một dipol điện với dòng điện trên nó

là Iz xác định theo công thức (2.1) Điện trường tại M do dz trên hai nhánh chấn tửgây ra được xác định theo công thức:

ikr e

ikr e

r E

sin

ikr z

ikr z

Thay các công thức (2.6) và (2.1) vào (2.5) và bỏ qua đại lượng vô cùng bé ởthành phần biên độ ta có:

0

os 2

0

60

sin sin 60

sin sin

ik r zc b

ik r zc b

0

60

sin sin 60

sin sin 2 os kzcos

ikr ikzc ikzc b

ikr b

0 0

os klcos oskl 60

2.3 CÁC THAM SỐ CỦA CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG

2.3.1 Hàm tính hướng và đồ thị phương hướng

So sánh công thức (2.9) và (2.10) ta thấy hàm tính hướng biên độ của chấn tử đối xứng trong mặt phẳng E sẽ là:

( , ) cos( cos ) cos( )2 sin

hướng trong mặt phẳng này chỉ phụ thuộc vào gias trị k/l Nói chung trong mặt

Công suất bức xạ của chấn tử đối xứng có thể được xác định theo phương phápvec tơ Poyting, giống như khi tính toán cho dipol điện

Ta tính tổng thông lượng của vec tơ Poyting qua một mặt cầu bao bọc chấn tử,khi mặt cầu có bán kính khá lớn so với bước sóng công tác, hình 2.4

r

Hình 2.4 Xác định công suất bức xạ của chấn tử đối xứng

Công suất bức xạ của chấn tử truyền qua diện tích vi phân ds là:

Điện trở bức xạ của chấn tử đối xứng tính theo dòng điện ở điểm bụng được xácđịnh theo công thức:

0

os klcos oskl 60