Lý thuyết anten - Phần 1 - Chương 1 docx

http://www.ebook.edu.vn PHAÀN 1 LYÙ THUYEÁT ANTEN http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG I : KHÁI NIỆM TRƯỜNG ĐIỆN TỪ oOo I. Đặc điểm sóng điện từ. Toàn bộ lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở của sóng điện từ. Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian thống nhất tạo thành trường điện từ. Trường điện từ là một dạng vật chất cơ bản, chuyển động với vận tốc c trong mỗi hệ quy chiếu quán tính trong chân không; nó thể hiện sự tồn tại và vận động qua những tương với một dạng vật chất khác là những hạt hoặc những môi trường chất mang điện. Trường điện từ có mang năng lượng và nhiệt độ: )DHBE( 2 1 W += ( 3 m J ) Trường điện từ đặc trưng bởi các đại lượng sau : E : vector cường độ điện trường ( m V ) D : Vector cảm ứng điện ( 2 m C ) B : Vector cảm ứng từ ( 2 m Wb ) H : Vector cường độ từ trường ( m A ) Trường điện từ được biểu diễn qua hệ thống phương trình Maxwell . rot E = - t B ∂ ∂ (1.1) t D JHrot ∂ ∂ += (1.2) ρ=Ddiv (1.3) 0Bdiv = (1.4) Ngoài ra còn có phương trình liên hệ : http://www.ebook.edu.vn EED r εε=ε= ο ( 2 m C ) (1.5) HHB r μμ=μ= ο ( T m Vs 2 = ) (1.6) EJ γ= ( 2 m A ) (1.7) J :thông lượng vector mật độ dòng dẫn ( 2 m A ) ρ : phân bố điện tích khối ( 3 m C ) : độ dẫn điện của môi trường dẫn ( γ m s m 1 = Ω ) :ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường ( m A ) Đối với môi trường chân không ) m F ( 36 10 9 π =ε=ε − ο 101 r ÷=ε :các điện môi thông thường 1 r =ε : không khí 43 r 1010 ÷=ε : một số muối senhet :μ hệ số từ thẩm của môi trường ( m H ) Đối với môi trường chân không ) m H (10.4 7− ο π=μ=μ 1 r =μ : đối với môi trường thông thường Nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và từ trường. Ý nghóa hệ phương trình Maxwell. - Phương trình Maxwell (1.1)và (1.2) nêu rõ từ trường và điện trường biến thiên luôn gắn bó với nhau và luôn có tính chất xoáy. http://www.ebook.edu.vn - Phương trình Maxwell (1.3)và (1.4)mô tả dạng hình học của hai mặt thể hiện điện trường và từ trường. II. Sóng điện từ : Phương trình sóng điện từ có dạng. E = Eo cos( t - V x ) Tương tự : B = Bo cos( t - ) V x Eo , Bo , phụ thuộc điều kiện đầu. Hàm E ( x,t ) và B ( x,t ) là các hàm sóng, như vậy điện trường và từ trường lan truyền trong không gian dưới dạng sóng . Vậy sóng điện từ là trường điện từ biến thiên truyền đi trong không gian. Sự lan truyền của sóng điện từ thể hiện qua sự lan truyền năng lượng điện từ, các cường độ trường (sóng E, sóng H )và các thế (sóng A, sóng ϕ). Theo dạng các mặt phẳng đồng pha của sóng điện từ mà ta có sóng điện từ phẳng, sóng trụ hoặc sóng cầu Sóng điện từ phẳng là sóng điện từ có mặt đồng pha là mặt phẳng, phương truyền của sóng phẳng ở mọi nơi đều vuông góc với một mặt phẳng xác đònh. Sóng điện từ được gọi là đơn sắc hay đều hòa nếu các vector cường độ điện trường, từ trường biến đổi hình sin theo thời gian với một tần số wxác đònh. - Sóng phẳng gọi là sóng phẳng đồng nhất nếu vector E,H của sóng phụ thuộc chỉ một tọa độ không gian. - Sóng trụ tròn là dạng sóng mà trường và năng lượng lan truyền theo chiều bán kính r tỏa từ một trục ra không gian xung quanh hoặc hướng vào trục. Tính chất của sóng điện từ tồn tại trong môi trường chất và trong môi trường chân không. a. Sóng điện từ có chức năng: - Tạo chùm tia công suất theo một hướng đònh trước. http://www.ebook.edu.vn - Lái chùm tia để một khu vực nào đó có thể được bao phủ sóng. - Cho phép đo đạc thông tin về góc để có thể xác đònh hướng. b. Sóng điện từ là sóng không gian. Tại mọi điểm trong không gian, phương E , B đều vuông góc với phương truyền sóng. Ta nói sóng điện từ phẳng thuộc loại sóng điện từ ngang TEM c. E , H luôn cùng pha và có trò số luôn tiû lệ với nhau. d. Biên độ điện trưồng và từ trường của sóng giữ không đổi trong quá trình lan truyền. e. Vận tốc dòch chuyển của các mặt đẳng pha được gọi là vận tốc pha (hay là vận tốc truyền năng lượng của trường (cả điện và từ kèm theo nhau). p v β ω = p v (1.8) trong đó β gọi là hệ số pha (rad/m) f. Năng lượng và năng thông. - Năng lượng sóng điện từ là năng lượng của trường điện từ. Năng lượng này tồn tại trong vùng không gian có sóng điện từ. - Năng thông là năng lượng truyền đi một đơn vò diện tích trong một đơn vò thời gian. Đònh nghóa :Vectơ Poynting. Là vector mật độ dòng công suất điện từ, vector đó bằng công suất điện từ chảy qua một đơn vò diện tích đặt vuông góc với dòng chảy ExH=δ III. Sóng điện từ trong môi trường bán dẫn điện đồng chất: Ta có điện dẫn suất của môi trường γ ≠ 0 khi đó hệ thống các phương trình Maxwell là: rot H = Eγ + t D ∂ ∂ rot E = - t B ∂ ∂ 0Bdiv = ρ=Ddiv http://www.ebook.edu.vn Nếu nguồn trường biến thiên theo qui luật điều hòa . jwt )eERe(E = (1.9) Re là phần thực của đại lượng phức. Từ các phương trình liên hệ, lấy đạo hàm (1.9), kết hợp với các phương trình liên hệ và so sánh với phương trình Maxwell ta có: ) m F ()i1( p εω γ −ε=ε Từ sự tương ứng trên sau khi khảo sát người ta rút ra kết luận : 1. Sóng thộc loại sóng ngang. 2. Vectơ cường độ điện trường và từ trường vuông góc với nhau và cả hai đều vuông góc với phương truyền sóng. 3. Sóng lan truyền bò môi trường hấp thụ làm suy giảm biên độ. Mức độ suy giảm theo hàm mủ đặc trưng bởi thừa số với σ = ρ λ π =ρ 2 c w (1.10) là hệ số hấp thụ. 4. Điện trường và từ trường truyền đi với vận tốc giống nhau v= c/n (m/s). 5. Ở một điểm trong không gian từ trường lệch pha với điện trường một góc. ϕ = arctg n ρ (độ) 6. Biên độ cường độ điện trường và từ trường có quan hệ với nhau bởi biểu thức : H m = π ρ+ 120 n 22 E m ( m A ) Qua biểu thức của hệ số hấp thu (1.10)ï ta thấy rằng khi điện dẫn càng tăng và bước sóng càng ngắn thì hấp thụ càng nhiều . Truyền sóng qua môi trường bán dẫn điện (mặt đất, mặt biển) để giảm bớt tổn hao nên dùng sóng có bước sóng lớn. IV. Sóng vô tuyến: http://www.ebook.edu.vn 1. Đặc điểm của sóng vô tuyến: Sóng vô tuyến có chung đặc tính với các dạng chuyển động khác. Có thể nói một cách gần đúng, chuyển động sóng là bao gồm sự kế tiếp liên tục những đỉnh sóng và đáy sóng với những khoảng cách bằng nhau và chuyển động theo một tốc độ cố đònh. Ví dụ ta nhìn một mảnh gỗ nổi trên mặt nước bò nâng lên và hạ xuống khi sóng đi qua, nhưng nếu không có gió và dòng nước thì nó sẽ không dòch chuyển về bất cứ hướng nào. Điều đó chỉ ra rằng sóng được tạo ra đầu tiên bởi một sự biến động nào đó ở xa, tònh tiến qua môi trường (trong trường hợp này là biển) với một tốc độ cố đònh nhưng bản thân môi trường thì không dòch chuyển. Khoảng cách giữa hai sóng liên tục gọi là bước sóng (kí hiệu λ). Một dao động hoàn chỉnh từ một đỉnh sóng qua đáy sóng đến đỉnh sóng kế tiếp gọi là chu kì. Số chu kì sóng đi qua một điểm cố đònh trong một khoảng thời gian cho sẵn gọi là tần số (kí hiệu f), có thể giải thích tần số bằng số chu kì trên giây gọi là Hez (Hz). Rõ ràng là số chu kì trong một giây phụ thuộc vào bước sóng và tốc độ mà sóng truyền lan (tốc độ kí hiệu là c). Sóng có bước sóng 2m chuyển động với tốc độ 10m trên giây phải dao động với tần số là 5 chu kì trên giây.Mối quan hệ giữa các yếu tố như sau: Tốc độ bằng tần số x bước sóng Hoặc C = f x λ (1.11) Bằng cách suy luận từ sóng biển có thể chứng minh được sự thật xa hơn. Một hòn đá ném xuống hồ cho thấy sóng sẽ truyền lan ra với tốc độ cố đònh ở mọi hướng nếu như nó không bò cản trở. Sóng vô tuyến có đầy đủ các đặc tính vừa mô tả khác nhau về bản chất ở chổ sóng vô tuyến là sóng điện từ nó tạo nên bởi trường điện và trường từ, mà không phải là chấn động cơ học. Sóng điện từ có đặc tính với sóng ánh sáng, mặc dù bước sóng của chúng dài hơn yếu tố này ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của chúng. Khi nói đến chúng người ta thường dùng khái niệm điện hơn khái niệm từ, cường độ của chúng đựơc đo bằng vol/ m , công suất đo bằng oat/ 2 m . Sự tồn tại của năng lượng trong sóng điện từ được chứng minh bởi một sự thực là nó cảm ứng dòng điện trong vật chất mà nó tiếp xúc. Sóng vô tuyến có trục điện và trục từ vuông góc nhau. Sự đònh hướng các trục này trong không gian gọi là phân cực và chúng đựơc biểu diễn theo hướng của trục điện. Bước sóng của sóng vô tuyến hiện nay thường nằm trong khoảng 20.000m đến 4mm . Tốc độ của chúng trong không gian tự do là cố đònh khoảng 300 triệu mét hoặc 161800 hải lý trên giây. Giá trò này được sử dụng rộng rãi khi xét sự truyền lan của sóng trong khí quyển. Vì tốc độ là cố đònh, khi tần số tăng thì bước sóng giảm. Ví dụ http://www.ebook.edu.vn dưới đây chỉ rõ công thức đưa ra ở trên được sử dụng như thế nào để đổi bước sóng ra tần số: Hãy tìm tần số của một đài phát sóng vô tuyến phát trên bước sóng 1500m. λ = c f , hoặc tần số = Hz000.200 500.1 000.000.300 = Tần số sóng vô tuyến thường được đo bằng các bội số của Hz như: 1 kilôhec (Khz) = 10 3 Hz, 1mêgahec (Mhz) = 10 6 Hz, 1gigahec (Ghz)=10 9 Hz. Đối với một khoảng cách thời gian rất ngắn, thời gian thường được tính bằng micrô giây( tức một phần triệu của giây). Sóng vô tuyến có bước sóng ngắn như vậy gọi là sóng siêu ngắn (viba ). Từ những so sánh đơn giản ở trên ta hiểu được bản chất chung của sóng vô tuyến. Thuộc tính của chúng phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp bức xạ chúng vào không gian. Nhưng điều cần nói ở đây là sóng vô tuyến có thể được tập trung lại thành chùm tia theo một hướng nhất đònh và có thể bò phản xạ, khúc xạ, tán xạ hay nhiễu xạ giống như sóng ánh sáng tùy thuộc vào bản chất môi trường mà chúng đi qua và những mục tiêu mà chúng tiếp xúc. 2. Sự đònh hướng. Ta chỉ xét thời điểm mà lúc sóng bắt đầu truyền trong không gian. Kích thước cần thiết của bộ phản xạ để tập trung sóng vô tuyến vào một chùm tia với độ rộng cho trước, phụ thuộc vào bước sóng được sử dụng, bước sóng càng dài thì bộ phản xạ càng rộng. Vì vậy để có một bộ phản xạ có kích thước thích hợp, để nhận được một chùm tia hẹp phải sử dụng sóng có bước sóng rất ngắn. Với bước sóng 3cm bộ phản xạ rộng 5 fút thì sẽ cho một chùm tia rộng khoảng 1.5 độ với bộ phản xạ rộng 10 fút sẽ cho chùm tia rộng 0.75 độ. Độ chính xác của việc do hướng chỉ cần thiết trên mặt phẳng ngang tức là phương vò. Chúng ta dễ nhận thấy rằng, ở bất kỳ phương vò nào chùm tia càng rộng thì cường độ của nó càng yếu. Bộ phản xạ phát năng lượng đi theo một chùm tia hẹp với góc độ nhất đònh, năng lượng ấy được phát từ tiêu điểm mặt phản xạ thì bộ phản xạ cũng tập trung tất cả năng lượng từ nguồn bên ngoài đi đến nó rồi phản xạ về cùng một tiêu điểm ấy theo cùng góc độ như lúc nó phát đi. Điều đó nói lên rằng anten có tính đònh hướng cho cả thu và phát. Nó không những có lợi cho độ chính xác của việc do hướng mà còn làm tăng cường độ của sóng thu được. http://www.ebook.edu.vn Sự suy giảm cường độ tín hiệu theo khoảng cách: cường độ của tín hiệu thu được ở một điểm sẽ biến đổi khi thay đổi khoảng cách của điểm đó đến máy phát như sau: + Cường độ trường( đo bằng vol/ m ) tỉ lệ nghòch với khoảng cách. + Công suất( đo bằng oat/ 2 m ) tỉ lệ nghòch với bình phương khoảng cách. ï V. Công suất truyền sóng lý tưởng. Giả sử nguồn bức xạ là đẳng hướng và được đặt trong một không gian tự do. Nghóa là trong một môi trường đồng nhất, đồng hướng không hấp thụ và có hệ số điện thẩm tương đối bằng một. Ta tính mật độ thông lượng năng lượng của trường bức xạ ở một khoảng cách kể từ nguồn và giả thuyết là năng lượng bức xạ phân bố đồng đều trên mặt cầu bán kính r. Biểu thò công suất bức xạ bằng W. Đơn vò chiều dài là m , ta có biểu thức thông lượng năng lượng qua một đơn vò điện tích của mặt cầu bán kính r trong một đơn vò thời gian là: S = )m/W( r4 2 2 π ρ (1.12) Giá trò của biểu thức (1.12) cũng chính bằng giá trò trung bình của vector Poynting ở trên mặt cầu ấy: S = E n H n (1.13) E h (V/m); H n (A/m) gọi là trò hiệu dụng của vectơ cường độ điện trường và từ trường . Trong đơn vò đo lường hợp pháp H = E/120 ( A/m ) khi đó (1.13) được viết lại S = π 120 2 E (W/ 2 m ) Eh = r p30 (V/m) Trong thực tế người ta dùng những hệ thống bức xạ có tính phương hướng. Mức độ đònh hướng được đánh giá bởi hệ số phương trình D, hệ số D là một hệ số đặc trưng cho mật độ tập trung năng lượng bức xạ của anten theo một hướng nào đó. Có thể hiểu một cách http://www.ebook.edu.vn đơn giản như sau: một anten có hướng công suất bức xạ P và có hệ số tính phương hướng ở một hướng nào đó là D sẽ tạo ra điểm thu ở hướng đó một cường độ trường có trò sẽ giống như một anten về hướng có công suất PD tạo ra. Như vậy việc sử dụng anten có hướng sẽ tương đương với việc tăng công suất bức xạ lên so với anten vô hướng khi đó: Eh = r PD90 Trò số biên độ của cường độ trường E m = r pD60 (V/m) Trò số tức thời của cường độ trường bằng : E = r pD60 cos ( t- r pD c n 60 ) = cos( wt-Kr ) w : tần số góc của sóng K= wc w π 2 = là hệ số sóng λ : bước sóng không gian tự do. Trường hợp nguồn bức xạ không phải đặt trong không gian tự do mà đặt trên mặt đất dẫn điện lý tưởng, khi ấy năng lượng sẽ phân bố theo một nữa hình cầu, trò số D sẽ tăng gấp đôi và cường độ trường sẽ tăng lên 2 lần. VI. Phân loại sóng theo vô tuyến điện theo băng sóng và theo phương thức lan truyền . Các sóng vô tuyến điện chia thành 5 băng sóng. 1. Sóng cực dài: sóng có bước sóng lớn hơn 10.000 m (tần số thấp hớn 30 Khz ). 2. Sóng dài: là sóng có bước sóng từ 10.000 m đến 1.000 m. 3. Sóng trung: là sóng có bước sóng từ 1.000 m đến 100m ( tần số 300Khz đến 3 Mhz ). 4. Sóng cực ngắn : là sóng có bước sóng 10m đến 1mm (tần số 30 Mhz đến 300.000 Mhz ).  Những phương thức lan truyền của sóng vô tuyến điện [...]... băng sóng đã nêu ở trên b Tầng đối lưu là một lớp khí quyển nằm trực tiếp sát mặt đất lên đến độ cao khoảng 10 – 15 km Đó là một môi trường không đồng nhất c Những sóng vô tuyến điện được truyền đi do sự khuếch tán trong tầng đối lưu gọi là sóng tầng đối lưu Những sóng với bước sóng ngắn hơn 10 m mới có thể truyền đi theo dạng này Tầng điện ly là một miền của khí quyển cao nằm từ độ cao 60 km đến 500... sóng có thể phản xạ, từ đó ở những sóng dài hơn 10 m Ở tầng điện ly là môi trường không đồng nhất nên nó có khả năng khuếch tán sóng truyền đến những sóng ngắn hơn 10 m Như vậy, những sóng vô tuyến điện được truyền đi do sự phản xạ (một lần hoặc nhiều lần ), hoặc do khuếch tán từ tầng điện ly gọi là sóng điện ly VII Truyền sóng của những dải sóng khác nhau 1 Đặc điểm lan truyền của sóng dài và sóng cực... 700 km , với cự ly lớn hơn phải truyền lan bằng tầng điện ly Sự biến đổi điều kiện truyền sóng về ban đêm và ban ngày - Ban đêm sóng trung truyền lan bằng cách phản xạ trên lớp E (lớp E mật độ điện tử tương đối lớn ) nên về ban đêm có thể thực hiện bằng cả sóng đất lẫn sóng trời - Ban ngày do sự xuất hiện của lớp D (có mật độ điện tích nhỏ )nên sóng này sẽ cho truyền qua và chòu sự hấp thụ rất mạnh... sóng ngắn Mặt khác, do bước sóng của dải sóng này khá lớn có thể so sánh với độ cong mặt đất nên sóng mặt đất có thể lan truyền theo phng thức nhiễu xạ Uốn cong theo mặt đất và đạt cự ly khá lớn Do những lý do trên sóng dài và sóng cực dài có thể truyền lan theo phương thức sóng đất để đạt đến những cự ly khoảng 3000 km Với những cự ly lớn hơn 3000 km phải thực hiện sự truyền sóng bằng tầng điện ly vì... fading so với các sóng khác nó truyền đi không được xa nhưng có ưu điểm là ổn đònh Ở các nước ôn đới người ta sử dụng các loại sóng này dùng cho đài phát thanh đòa phương và thông tin cự ly gần không quá 10 00 km Ở các nước nhiệt đới như Việt Nam sóng này bò ảnh hưởng nhiều của điện trời (sầm sét, giông bảo, sự phóng điện của khí quyển ) nên không được sử dụng 2 Đặc điểm truyền của sóng trung : Sóng trung... tán từ tầng điện ly gọi là sóng điện ly VII Truyền sóng của những dải sóng khác nhau 1 Đặc điểm lan truyền của sóng dài và sóng cực dài Từ việc truyền sóng ở trên mặt đất tầng đối lưu, tầng điện ly ở phần trước ta sẽ rút ra kết luận cho việc truyền sóng của từng dải trong phương thức nào cho thích hợp Đối với sóng dài và sóng cực dài, mặt đất có tính dẫn điện tốt Do đó khi truyền sóng theo phương thức . . rot E = - t B ∂ ∂ (1. 1) t D JHrot ∂ ∂ += (1. 2) ρ=Ddiv (1. 3) 0Bdiv = (1. 4) Ngoài ra còn có phương trình liên hệ : http://www.ebook.edu.vn EED r εε=ε= ο ( 2 m C ) (1. 5) HHB r μμ=μ= ο . sóng 15 00m. λ = c f , hoặc tần số = Hz000.200 500 .1 000.000.300 = Tần số sóng vô tuyến thường được đo bằng các bội số của Hz như: 1 kilôhec (Khz) = 10 3 Hz, 1mêgahec (Mhz) = 10 6 Hz, 1gigahec. trường ( m A ) Đối với môi trường chân không ) m F ( 36 10 9 π =ε=ε − ο 10 1 r ÷=ε :các điện môi thông thường 1 r =ε : không khí 43 r 10 10 ÷=ε : một số muối senhet :μ hệ số từ thẩm của môi