Trường điện từ và kỹ thuật Anten pdf

Ý NGHĨA PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL THỨ NHẤT • Từ trường có thể được gây ra không chỉ bởi dòng điện dẫn mà do cả dòng điện dịch, nghĩa là do sự biến đổi của cường độ điện trường theo thời gi

NỘI DUNG

CHƯƠNG I SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG CHƯƠNG II LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ANTEN CHƯƠNG III CÁC LOẠI ANTEN

Chương I Sóng điện từ và truyền sóng.

Giíi thiÖu

• - Trường điện từ là một dạng đặc biệt của vật chất Nó tồn tại dưới dạng sóng hoặc hạt, có tác dụng tương hỗ với các hạt mang điện Trong

chân không trường điện từ truyền với vận tốc

ánh sáng (3.108 m/s)

• - Năng lượng của trường điện từ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác nhưng luôn bảo toàn

• Theo định luật Einstein năng lượng và khối lượng trường điện từ có quan hệ:

: Mật độ dòng điện dẫn (A/m2);

: Cường độ điện trường (V/m);

Ý NGHĨA PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL

THỨ NHẤT

• Từ trường có thể được gây ra không chỉ bởi

dòng điện dẫn mà do cả dòng điện dịch, nghĩa

là do sự biến đổi của cường độ điện trường

theo thời gian.

• Tác dụng của dòng điện dẫn và dòng điện dịch

là như nhau trong việc tạo ra từ trường.

Hệ phương trình Maxwell

• Phương trình Maxwell thứ hai:

H t

Ý NGHĨA PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL

THỨ HAI

• Từ trường biến đổi theo thời gian sẽ tạo ra

điện trường.

Hệ phương trình Maxwell

- Phương trình Maxwell thứ ba:

: Mật độ điện tích

- Phương trình Maxwell thứ tư:

ý nghĩa: Là hai phương trình xác định mật độ nguồn của điện trường và từ trường

div E   



0

div H  

• Hệ hương trình Maxwell đầy đủ

d

E J

Định lý Poynting

Chiều của vectơ poynting là chiều dịch thuận theo quy tắc vặn nút chai từ sang (hay quy tắc bàn tay trái) với góc quay nhỏ nhất

Năng lượng trường điện từ chảy qua một đơn vị thời

1.1 Sóng điện từ

1.1.1 Sóng điện từ phẳng

a Khái niệm: Sóng điện từ tạo ra các vectơ điện và từ có biên độ và pha

giống nhau và hợp thành các mặt đồng pha và đồng biên là những mặt

phẳng thì được gọi là sóng điện từ phẳng

b Môi trường truyền sóng:

- Điện môi lý tưởng (đồng nhất không tổn hao)

- Nhiễu xạ khi bước sóng xấp xỉ với kích thước vật cản.

- Tán xạ khi bước sóng nhỏ hơn vật cản.

E H

1.1 Sóng điện từ

1.1.2 Bức xạ sóng điện từ

Quá trình truyền trường điện từ từ nguồn vào không gian gọi

là quá trình bức xạ trường điện từ

Bức xạ trường điện từ chỉ xảy ra với nguồn biến thiên.

b Bức xạ của dipol điện

ở khu gần thì các thành phần điện trường và từ trường lệch

sẽ có giá trị bằng không Chứng tỏ năng lượng của trường

vùng gần có tính dao động Trong một phần tư chu kỳ đầu thì năng lượng này dịch chuyển từ nguồn trường ra không gian xung quanh và trong một phần tư chu kỳ tiếp theo lại dịch

chuyển trở lại giống như sự trao đổi năng lượng trong một

mạch dao động Trường khu gần còn được gọi là trường cảm

ứng và khu gần được gọi là khu cảm ứng.

xa có dạng sóng cầu, có vecto điện và từ vuông góc với hướng truyền lan Sóng điện từ trong

trường hợp này được gọi là sóng điện từ ngang

1.1 Sóng điện từ

Các loại hệ định hướng

1.2 Truyền sóng

1.2.1 Các vấn đề chung về truyền sóng.

Khảo sát về sự truyền lan tự do của sóng điện từ ở dải vô tuyến điện

Vai trò thông tin, thông tin vô tuyến trong xã hội hiện đại.

Nhờ các sóng này mà có thể thiết lập các kênh thông tin vô

tuyến với cự ly thông tin rất lớn.

Một kênh thông tin thường gồm các thiết bị thu - phát đặt ở đầu cuối đường truyền và tin tức được mang đi nhờ sóng điện từ lan

truyền trong môi trường vật lý trung gian gọi là môi trường truyền sóng.

Để đảm bảo cũng như tăng chất lượng kênh thông tin vô tuyến chúng ta không chỉ quan tâm đến tính năng, chất lượng của thiết bị đầu cuốimà còn phải xét đến môi trường truyền sóng, lựa chọn dúng đắn tần số công tác cũng như chọn phương thức truyền sóng hợp lý

1.2 Truyền sóng

- ảnh hưởng của môi trường đến truyền sóng

Môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến truyền sóng và gây ra các hiện tượng:

+ Suy hao sóng

+ Thay đổi hướng và vận tốc truyền sóng

+ Làm méo tín hiệu

- Phân loại sóng:

Có hai cách phân loại:

+ Theo bước sóng: Sóng cực dài, sóng dài, sóng

trung, sóng ngắn,

+ Theo phương thức truyền lan: Sóng trực tiếp, sóng đất, sóng đối lưu, sóng điện ly

• Khái quát chung

Sóng trong trường hợp này bị ảnh hưởng

bởi đất mà cụ thể là bị ảnh hưởng của chất

đất và địa hình Vì thế biết được các thông số đất ( hằng số điện môi , điện dẫn suất,…)

là rất quan trọng.

Giải một bài toán tổng quát về sóng đất với nhiều biến số như vậy rất là khó Người ta sử dụng một biện pháp trong thực tế đó là giải các bài toán riêng với các giả thiết riêng lý

tưởng hơn:

+ Thay thế đất thực lồi lõm bằng mặt đất bằng phẳng tưởng tượng.

+ Bỏ qua sự biến đổi liên tục, từ từ của chất đất trên

đường truyền Xem như tham số đất biến đổi một cách đột ngột khi qua các vùng đất khác nhau

+ Đối với mặt đất thực thường càng xuống sâu thì độ dẫn điện càng tăng do độ ẩm cao hơn nhưng trong tính toán ta coi tham số đất không thay đổi theo độ sâu

+ Thay đất thực tế bằng đất tưởng tượng có thông số

• Anten đặt cao

Truyền sóng khi anten đặt cao thường chỉ

gặp đối với sóng ngắn và cực ngắn.

Anten đặt cao là anten có bộ phận thu và

phát sóng điện từ nằm ở cao so với mặt đất (cỡ vài bước sóng).

Anten đặt cao

Giả thiết đặt ra:

Tại A có anten phát với công suất P1 Hệ số định hướng

D1 đặt ở độ cao h1

Tại B ở độ cao h2 đặt anten thu

Sóng điện từ có bước sóng

r1 đường đi từ A đến B của tia tới trực tiếp

r2 đường đi từ A đến B của tia phản xạ

r: Khoảng cách từ anten phát đến anten thu

: Góc nghiêng tia phản xạ

Yêu cầu: Xác định cường độ trường tại B



Để giải bài toán về truyền sóng đất chúng ta cần tìm hiểu bài toán về truyền sóng trong không gian tự do (công thức truyền sóng lý tưởng)

- Không gian tự do là môt môi trường đồng nhất, đẳng hướng, không hấp thụ và có hệ số điện

môi tương đối, điện dẫn suất bằng 1.

Lời giải:

Mật độ công suất trung bình tại B là: (V/m 2 ) Nếu nguồn bức xạ có hướng, hệ số định hướng D 1 thì:

(V/m 2 ) Biên độ cường độ điện trường: (V/m) Giá trị tức thời của cường độ điện trường:

: hệ số sóng

: Giá trị hiệu dụng cường độ điện trường

Nếu tại B có anten thu với diện tích hiệu dụng:

Ta có công suất anten thu cấp cho máy thu:

(W)

Trong thực tế, môi trường làm suy hao sóng Đặc trưng cho sự suy hao là thừa

số làm yếu F.

Vậy cường độ trường trong môi trường thực tế:

Công suất cấp cho máy thu thực tế:

Công thức liên hệ giữa cường độ điện và từ trường:





2

1 1

4 r

P



Lời giải cho bài toán truyền sóng đất

Cường độ trường tại B của tia tới trực tiếp được xác định bởi

Trong đó:

Đặt F = : gọi là thừa số làm yếu

Trong nhiều trường hợp do h1<<r và h2<<r nên góc

nghiêng của tia phản xạ từ mặt đất sẽ nhỏ đến mức có thể xem R 1 và Khi đó:

Kết luận:

Như vậy chúng ta đã đựơc tìm hiểu về

phương thức truyền lan của sóng đất Qua đó cũng biết được ảnh hưởng của đất đối với khả năng truyền sóng và cũng hiểu rằng phải chọn

độ cao anten thích hợp mới thu phát sóng tốt.

1.2.2 Truyền sóng trong tầng đối lưu

- Tầng đối lưu là tầng khí quyển nằm từ sát mặt đất và lên đến độ cao khoảng:

- Tầng đối lưu có chiết suất biến đổi đều theo độ cao Khi một tia

sóng truyền trong tầng đối lưu mà không song song với phương

ngang thì nó sẽ bị khúc xạ liên tục Như vậy tia sóng sẽ bị uốn cong chứ không còn truyền theo quỹ đạo thẳng Đây chính là hiện tượng

khúc xạ khí quyển

- Tầng đối lưu chỉ ảnh hưởng đến sóng cực ngắn và sóng VTĐ truyền

ở cự li xa.

1.2.3 Truyền sóng trên tầng điện li

- Tầng điện ly là tầng khí quyển bị ion hoá nằm ở độ cao 60 đến 600km.

Nguyên nhân gây ion hoá ở tầng điện li:

Do tác dụng của bức xạ mặt trời dẫn đến xảy ra sự phân li các phân tử oxi, nitơ thành các nguyên tử Mặt khác cũng

do những nguyên nhân khác như là: bức xạ của các vì sao, các tia vũ trụ, các thiên thạch khi vào khí quyển trái đất bị cháy

- Dưới tác dụng của các nguồn ion hoá và do cấu tạo của các chất khí nên trong khí quyển xuất hiện một số miền đạt cực trị ion hoá (hay còn gọi là các lớp), Các lớp này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền sóng.

- Trong môi trường ion hoá, tín hiệu được truyền đi với vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng Sau khi truyền qua môi

trường này tín hiệu sẽ bị méo dạng.

CHƯƠNG II LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT

ANTEN

2.1 Lý thuyết anten

2.1.1 Giới thiệu chung

- Vị trí anten trong hệ thống thông tin VTĐ

anten được đặt ở đầu ra máy phát và đầu vào máy thu.

anten phát anten thu

M trường

+ Anten thu: Là thiết bị dùng để thu sóng điện từ từ không gian tới theo quy luật xác định và biến đổi thành năng lượng dòng cao tầng để đưa tới đầu vào của máy thu.

Anten chính là một thiết bị biến đổi năng lượng và định hướng truyền sóng.

- Yêu cầu đối với anten:

2.1.2 các tham số cơ bản của anten

- Hàm hướng tính:

Biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ của anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi

2.1.3 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp

sóng

Đồ thị phương hướng được vẽ bởi hàm

tính hướng Nó mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác

nhau với một khoảng cách khảo sát cố định

Đồ thị phương hướng trong hệ toạ độ cực

2.1.3 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp

sóng

Độ rộng búp sóng (độ rộng của đồ thị phương hướng) được xác định bởi 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,

thường độ rộng búp sóng nửa công suất được sử dụng Độ rộng búp sóng nửa công suất tức là góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó công suất

bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạ

cực đại Kí hiệu: ( hay còn gọi là độ rộng

búp sóng 3dB), nếu giá trị này càng bé thì anten

tập trung công suất bức xạ càng mạnh.

3dB



2.1.3 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp

sóng

Độ rộng của đồ thị phương hướng

2.1.4 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ

và hiệu suất của anten.

2.1.5 Hệ số hướng tính và hệ số khuyếch đại.

Hệ số định hướng:

: Hệ số hướng tính của anten.

: Mật độ công suất bức xạ của antenkhảo sát.

Hay:

: Biên độ cường độ điện trường anten khảo sát.

Hệ số khuếch đại của anten

Đặc trưng cho anten về tính bức xạ và cả khả năng làm việc (còn được gọi là hệ số tăng ích hay độ lợi của anten).

Đồ thị phương hướng của anten omni-directional và anten vô hướng

Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại thường được biểu diễn theo đơn vị dB.

2.1.6 Trở kháng vào của anten.

Ua: Điện áp đầu vào anten.

Ia: Dòng điện đầu vào anten

2.1.7 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.

EIRP= PT.GT (W).

PT: Công suất đầu ra máy phát

GT: Hệ số khuếch đại anten phát (coi bằng 1) EIRP có thể được tính theo đơn vị dB:

Bài tập

Bài 1: Một máy phát có công suất là 100W nối với anten có hệ số khuếch đại 10 Xác định công suất bức xạ đẳng hướng tương đương tính theo W,

dBW, dBm?

Bài 2: Một anten có trở kháng bức xạ 73 ,trở

kháng tổn hao 8 , hệ số hướng tính 20, công

suất máy phát đưa vào anten 100W Xác định:

a Hiệu suất làm việc của anten.

b Hệ số khuếch đại của anten (dBi).

c Công suất bức xạ và công suất bức xạ đẳng

hướng tương đương W, dBW, dBm.

Lời giải

Bài 1:

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương tính theo W, dBW, dBm:

Lời giải

Bài 2:

2.1.8 Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu

2.1.9 Dải tần công tác

Dải tần công tác của anten được phân thành bốn nhóm:

2.1.10 Hệ số bảo vệ của anten

• Tính theo đơn vị dB có:

2.2 Các nguồn bức xạ

Theo lý thuyết về trường bức xạ, các anten

bức xạ sóng điện từ có thể được xem là tập hợp của các nguồn bức xạ đơn giản

Chính vì thế để nghiên cứu các anten phức tạp chúng ta có thể dựa trên việc nghiên cứu các anten nguyên tố đơn giản như dipol điện và dipol từ.

2.2.1 Dipol điện

Phân bố dòng điện trên dipol và các đường sức điện, từ trường do dipol gây ra:

2.2.1 Trường bức xạ của dipol điện

2.2.1 Trường bức xạ của dipol điện

Đặt dipol trong hệ toạ độ cầu tâm O trùng tâm dipol Chiều dài hướng theo trục z Trường điện từ thu được tại điểm M bất kỳ

có toạ độ là:

2.2.1 Trường bức xạ của dipol điện

Thay các giá trị của Z và k vào ta được:

2.2.1 Trường bức xạ của dipol điện

Các thông số:

2.2.1 Trường bức xạ của dipol điện

Đồ thị phương hướng của dipol điện

2.2.1 Trường bức xạ của dipol điện

- Công suất bức xạ của dipol điện

- Điện trở bức xạ của dipol điện

- Hệ số định hướng của dipol điện

2.2.1 Trường bức xạ của dipol điện

Nhận xét:

- Trường bức xạ dipol là trường phân cực thẳng, mặt phẳng điện trường là mặt phẳng chứa trục dipol, mặt phẳng từ trường là mặt phẳng vuông góc với trục

dipol

- Năng lượng trường bức xạ là năng lượng thực vì tại mỗi điểm khảo sát các vecto đều có

phương giống nhau

- Hàm hướng tính của dipol chỉ phụ thuộc góc mà không phụ thuộc góc Nên trường bức xạ dipol

điện có tính hướng trong mặt phẳng E và vô hướng trong mặt phẳng H

2.2.2 Dipol từ

Là một đoạn dây dẫn mảnh, thẳng, có

chiều dài rất nhỏ so với bước sóng công tác, trên đoạn dây có dòng từ mà biên độ và pha được xem là đồng đều tại mọi điểm.

2.2.2 Dipol từ

Phân bố dòng trên dipol từ và các đường sức điện,

từ trường do dipol gây ra:

2.2.2 Trường bức xạ của dipol từ

2.2.2 Trường bức xạ của dipol từ

Trường điện từ thu được tại điểm M bất kỳ:

Trong thực tế không có dòng từ mà chỉ có dòng từ tương đương, tức là chỉ có phần tử trên đó tồn tại

thành phần tiếp tuyến của điện trường

2.2.2 Trường bức xạ của dipol từ

- Khi điện trường bức xạ của dipol điện có giá trị

bằng điện trường bức xạ của dipol từ thì dòng từ phải

có giá trị gấp hai lần dòng điện của dipol điện Nghĩa là:

- Công suất bức xạ của dipol từ:

- Điện dẫn bức xạ của dipol từ:

2.3 Nguyên tố bức xạ hỗn hợp

- Cấu tạo:

Gồm một dipol điện đặt vuông góc với một dipol

từ Dipol điện đặt theo trục x có dòng điện Ixe, dipol

từ đặt theo trục y có dòng từ Iym Giả sử độ dài hai dipol bằng nhau và bằng l Ta có quan hệ biên độ

2.3 Nguyên tố bức xạ hỗn hợp

Nguyên tố bức xạ hỗn hợp

2.3 Nguyên tố bức xạ hỗn hợp

Đồ thị phương hướng

2.3 Nguyên tố bức xạ hỗn hợp

Nhận xét:

Nguyên tố bức xạ hỗn hợp chỉ bức xạ năng lượng cực đại về một hướng Hướng bức xạ

cực đại được xác định bởi hướng của tích

vectơ (IexIm) Nguyên tố bức xạ hỗn hợp được gọi là nguyên tố bức xạ đơn hướng Câu hỏi và bài tập

Câu hỏi và bài tập