bài giảng chi tiết anten

BÀI GIẢNG CHI TIẾT LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ANTEN Chương 1 Các nguồn bức xạ nguyên tố 2 1.1 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ của anten 1.2 Đipol điện 1.3 Đipol từ 1.4 Nguyên tố bức xạ hỗn hợp Chương 2 Lý thuyết anten chấn tử 9 2.1 Phân bố dòng, áp trên chấn tử đối xứng 2.2 Đặc tính hướng của anten chấn tử - Độ rộng búp sóng - Hệ số định hướng 2.3 Các tham số của anten chấn tử - Điện trở bức xạ - Trở kháng vào - Độ dài hiệu dụng Chương 3 Bức xạ của hệ anten 14 3.1 Anten ghép 3.2 Dãy chấn tử 3.3 Hệ thống chấn tử đồng pha 3.4 Bức xạ của anten mặt 3.4 Hệ anten có xử lý tín hiệu Chương 4 Ảnh hưởng của mặt đất 22 4.1 Phương pháp ảnh gương 4.2 Tính phương hướng của chấn tử đối xứng trên mặt đất 4.3 Chấn tử không đối xứng đặt thẳng trên mặt đất Chương 5 Lý thuyết anten thu 25 5.1 Nguyên lý thu sóng điện từ 5.2 Công suất thu cực đại trên tải anten thu 5.3 Diện tích hiệu dụng của anten thu Chương 6 Kỹ thuật anten 26 6.1 Các phương pháp thu hẹp giản đồ hướng anten 6.2 Các phương pháp mở rộng dải tần anten 6.3 Các phương pháp giảm nhỏ kích thước anten 6.4 Các phương pháp tạo trường bức xạ phân cực quay 6.5 Tiếp điện và phối hợp trở kháng cho anten Chương 7 Anten sóng dài, trung, ngắn 32 7.1 Anten sóng dài, trung 7.2 Anten sóng ngắn Chương 8 Anten sóng cực ngắn 36 8.1 Anten chấn tử 8.2 Anten khe 8.3 Anten gương 8.4 Anten xoắn Mở đầu - Anten là gì ?  Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến điện (Chương 1-GT)  Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ (Chương 1-GT) - Mục đích môn học :  lý thuyết về bức xạ sóng điện từ  lý thuyết thu sóng điện từ  các biện pháp để cải thiện thông số kỹ thuật của anten (tăng độ định hướng, mở rộng dải tần công tác, giảm nhỏ kích thước anten với sóng dài và sóng trung)  phân tích được cấu trúc, đặc tính kỹ thuật của anten thường dùng  tạo lập khả năng thiết kế, chế tạo, lắp ráp, sửa chữa các loại anten - Cấu trúc môn học:  phần 1 : lý thuyết anten  phần 2 : kỹ thuật anten  phần 3 : thiết bị anten  Bài tập lớn CHƯƠNG 1 : CÁC NGUỒN BỨC XẠ NGUYÊN TỐ Khái niệm nguồn bức xạ nguyên tố - Các anten thực tế là tập hợp của các nguồn bức xạ nguyên tố - Khảo sát các nguồn bức xạ nguyên tố, rồi khái quát hóa (tích phân theo kích thước) có được đặc tính của các loại anten chấn tử, anten bức xạ mặt … - Có 3 loại nguồn bức xạ nguyên tố cơ bản : điện, từ, hỗn hợp I. Đipol điện 1) Định nghĩa - § 2.1 / 1 GT - l   để thỏa mãn giả thiết I const  2) Mô hình toán - Biểu diễn vecto trong tọa độ decac và tọa độ cầu (Hình 2.1) - Khái niệm hàm bức xạ (hàm vectơ) Đặc trưng cho nguồn bức xạ, cả về độ lớn và hướng - Ghi nhận và nêu y nghĩa của (2.4) và (2.5) . . E E E E i E i H H H               1 . . . .sin 4 0. ikR e ik E WH e WI l R E WH            - Trong (2.4) : 4 ik  là hệ số tính toán (kết quả tích phân khối, hàm mũ có hằng số k…) 1 R biểu diễn sự suy giảm biên độ trường theo khoảng cách ikR e  biểu diễn sự dịch pha theo khoảng cách e I l biểu diễn độ lớn của nguồn kích thích sin  biểu diễn sự phụ thuộc vào phương hướng 3) Một số tính chất  Trường bức xạ của đipôl điện là trường phân cực thẳng. Điện trường bức xạ của đipôl chỉ có thành phần E  , còn từ trường chỉ có thành phần H  . Mặt phẳng E là các mặt phẳng chứa trục đipôl, còn mặt phẳng H là các mặt phẳng vuông góc với trục đipôl. y x z E  S H  R I e   Dipol §iÖn l  Tại mỗi điểm khảo sát, các véctơ  E và  H đều có góc pha giống nhau nên năng lượng của trường bức xạ là năng lượng thực (năng lượng hữu công). Véctơ mật độ công suất trung bình được xác định bởi (1.35a):           2 * 1 Re 2 2 tb R E S E H i W 4) Một số thông số - Hàm phương hướng và hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa Hình 2.2 - Công suất bức xạ - Điện trở bức xạ - Hệ số định hướng * Hãy nêu định nghĩa (hoặc khái niệm) các thông số và tính toán cho trường hợp đipol điện. * Vẽ đồ thị phương hướng từ hàm phương hướng bằng các công cụ phần mềm đồ họa, tính toán ( Matlab, Archim…) II. Đipol từ - Định nghĩa - Áp dụng nguyên lí đổi lẫn, có được các đặc tính tương tự đipol điện - Khái niệm dòng từ tương đương : m I l - Nguyên tố bức xạ khe : 2 m khe I U   - Vòng điện nguyên tố : m e v I l iI kWs    E   = const; f m () = sin  = const; f m () = 1 z y x III. Nguyên tố bức xạ hỗn hợp 1. Định nghĩa - Nguyên tố bức xạ hỗn hợp là phần tử bức xạ bao gồm một đipôl điện và một đipol từ đặt vuông góc với nhau. Hình 2.12 vẽ nguyên tố hỗn hợp, trong đó đipôl điện đặt theo trục x, dòng điện e x I , còn đipôl từ đặt theo trục y, với dòng từ m y I . - Giả sử độ dài của hai đipôl giống nhau (bằng l) còn quan hệ biên độ giữa chúng được xác định bởi: m y e x I I = W, W =   . 2. Mô hình toán Để xác định trường bức xạ của nguyên tố hỗn hợp, cần tính các hàm bức xạ e G và m G . Tương tự như trường hợp đipôl điện và từ đã khảo sát trước đây, ta có:          e e e x x x m m e y y y G G i I l G G i I l (2.51) Áp dụng (1.39) ta nhận được các thành phần của hàm bức xạ trong hệ tọa độ cầu:                    cos cos cos cos sin sin e e x x e e x x G G I l G G I l (2.52)                  sin cos sin cos cos cos m m y y m m y y G G I l G G I l (2.53) Áp dụng (1.32), đồng thời chú ý đến quan hệ (2.50) ta nhận được trường bức xạ ở khu xa: -ikR e W 1        cos (cos + ) 4 e x ik E I l i R (2.54) -ikR e W        sin (1 cos ) 4 e x ik E I l i R (2.57) 3. Đặc tính * Đặc tính hướng Đối chiếu (2.54), (2.55) với (1.43) ta có thể rút ra biểu thức đối với các thành phần của hàm phương hướng W 1        ( , ) cos (cos + ) e x f I l i (2.56) W          ( , ) sin (1 cos ) e x f I l i (2.57) Vì môđun của  f và  f có cực đại bằng 2. e x I l W nên hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa sẽ có dạng:   y z x I x R I y M() e m       cos (1 + cos ) ( , ) 2 F       sin (1 + cos ) ( , ) 2 F Đồ thị phương hướng của nguyên tố hỗn hợp trong mặt phẳng  = const (mặt phẳng đi qua trục z) có dạng đường carđiôit với cực đại theo hướng  = 0, và bằng không theo hướng  =  (hình 1.13a). Đồ thị phương hướng không gian của nguyên tố bức xạ là một hình carđiôit tròn xoay. Hình này nhận được bằng cách quay đồ thị mặt phẳng quanh trục đối xứng z (hình 2.13b). Từ giản đồ hướng tính vẽ ở trên ta nhận thấy nguyên tố hỗn hợp chỉ bức xạ năng lượng cực đại về một phía. Hướng bức xạ cực đại được xác định bởi hướng của tích véctơ (  e m I I ). Nguyên tố hỗn hợp nói trên còn được gọi là nguyên tố bức xạ đơn hướng. Hàm phương hướng chuẩn hóa theo công suất được xác định theo (1.57)                    2 2 2 2 2 2 max cos + 1 ( , ) 2 m m m m m f f F f f * Hệ số định hướng ở hướng cực đại được xác định : D max =        2 16 3 (1 cos ) sin d d (2.61) Ta có biểu thức của hệ số định hướng viết theo (1.83) bằng D(, ) =   2 3 (1 cos ) 4 (2.62) 4. Nguyên tố bức Huy ghen Một trong các mô hình thực tế của nguyên tố hỗn hợp là tổ hợp của một đipôl điện và một vòng điện nguyên tố được sắp xếp như ở hình 2.14. Thật vậy, như đã chứng minh, vòng điện nguyên tố với bán kính rất nhỏ so với bước sóng có thể được coi tương đương với một đipôl từ mà trục đipôl vuông góc với mặt phẳng vòng điện. Một mô hình thực tế khác của nguyên tố hỗn hợp là nguyên tố bức xạ mặt (còn gọi là nguyên tố Huygens). Đó là phần tử diện tích có kích thước rất nhỏ so với bước sóng, trên đó các thành phần tiếp tuyến của điện trường và từ trường vuông góc nhau và phân bố với biên độ và pha đồng đều (hình 2.15a). Theo nguyên lý tương đương của dòng điện và dòng từ mặt (Đ0.4), ta có thể thay thế các thành phần tiếp tuyến của điện và từ trường trên nguyên tố bởi các dòng điện và dòng từ mặt (hình 2.15b).             ( ) ( ) m t x s t m t y s t J n H H i J n E E i (2.63) z  z y x I e I e H t n z y x E t J s x y z e m J s dy dx z y x e I x I y m Hình 2.15 Khi đó, Nguyên tố Huygens có thể được thay thế bởi một cặp đipôl điện và đipôl từ đặt vuông góc nhau (hình 2.15c). Đipôl điện có độ dài dy và dòng điện  e x x t I H dyi (2.64) Đipôl từ có độ dài dx và dòng từ:  m y y t I E dx i (2.65) IV. Nguyên tố Tuanike 1. Định nghĩa Nguyên tố Tuanikê là một tổ hợp của hai đipôl (điện hoặc từ) đặt vuông góc nhau trong không gian, và được tiếp điện sao cho dòng điện (hay dòng từ) chảy trong cặp đipôl ấy có biên độ bằng nhau, còn góc pha lệch nhau 90 o . Ví dụ, cặp đipôl điện và hệ tọa độ được chọn như ở hình 2.16. Quan hệ dòng điện trong hai đipôl theo giả thiết là:     2 2 1 i e e I e iI (2.26) 2. Mô hình toán Hàm bức xạ trong trường hợp này sẽ có hai thành phần theo i x và i y :        1 2 e e x x e e y y G I li G I li (2.67) Từ (2.67) ta xác định được các thành phần của hàm bức xạ trong hệ tọa độ cầu bằng cách áp dụng công thức chuyển đổi (1.39)                               1 1 2 1 1 (cos sin )cos cos (sin cos ) e e e i i e e e G I l i I le G I l i I le (2.68) Áp dụng (2.68) cho (1.32) ta xác định được các thành phần của điện trường bức xạ: a) b) c)  I e 2 1 y x z E  E  I e   e 1 W          cos 4 ikR i ik e E I l e i R (2.69) e 1 W                2 4 ikR i ik e E I le i R (2.70) 3. Đặc tính * Đặc tính phương hướng Các thành phần của hàm phương hướng: W         1 ( , ) cos e i f I l e i (2.71) W               2 1 ( , ) i e f I le i (2.72) Theo (2.71), (2.72) môđun của các hàm f  và f  có cực đại bằng W 1 e I l . Do đó hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa sẽ có các thành phần bằng:      ( , ) cos F     ( , ) 1 F * Đặc tính phân cực Có thể thấy rằng trường bức xạ của nguyên tố Tuanikê là trường cực hóa elip. Phân cực của trường, trong trường hợp tổng quát, sẽ là phân cực elip. Các trục của elip trùng với các trục tọa độ tại điểm khảo sát. Biên độ của hai thành phần phân cực chỉ phụ thuộc ; đồ thị của chúng được vẽ ở hình 2.18. Hệ số elip xác định theo (1.77), khi áp dụng (2.79), (2.80) sẽ bằng:      1 cos m e m P K P (2.84) Trên hình 2.18 cũng biểu diễn phân bố của hệ số elip theo . Từ hình vẽ ta thấy, khi  = {0 o , 180 o }, hệ số elip có giá trị K e = {1, 1}, chứng tỏ theo hai hướng vuông góc với mặt phẳng của hai đipôl, phân cực của trường là phân cực tròn, với chiều quay ngược nhau. Khi  =  2 ta có K e = , chứng tỏ theo các hướng nằm trong mặt phẳng của hai đipôl, phân cực của trường là phân cực thẳng. Với các giá trị khác của , ta có trường phân cực elip, với hệ số elip được xác định bởi (2.84). * Hàm phương hướng chuẩn hóa theo công suất của nguyên tố tuanikê được xác định theo (1.57). Khi áp dụng (2.73), (2.74) sẽ nhận được:        2 2 1 ( , ) cos 1 2 m F (2.85)                trßn trßnElip Elip th¼ng p p 1     K 1 -1 0   D¹ng cùc ho¸ m m   e  Ta thấy nguyên tố Tuanikê không có hướng bức xạ không. Bức xạ cực đại sẽ nhận được theo hướng  = 0 o và  = 180 o . * Hệ số định hướng ở hướng cực đại, theo (1.85), có giá trị bằng: D max =              2 2 0 0 8 1,5 cos 1 sin d d (2.86) Ta có biểu thức hệ số định hướng của nguyên tố bức xạ, theo (1.83), được viết dưới dạng: D = 3 4 (1 + cos 2 ) (2.87) Câu hỏi ôn tập 1. Mô hình toán khảo sát đặc tính của dipol điện. 2. Công thức xác định cường độ trường bức xạ của Dipol điện. 3. Trình bày các tính chất và thông số của dipol điện. 4. Đặc tính phương hướng của dipol điện 5. Khái niệm về Dipol từ 6. Khái niệm vòng điện nguyên tố 7. Khái niệm nguyên tố bức xạ khe 8. Mô hình toán khảo sát đặc tính bức xạ của nguyên tố hỗn hợp 9. Nguyên tố Huyghen CHƯƠNG 2 : ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 2.1 : Phân bố dòng điện trên anten 1. Định nghĩa chấn tử đối xứng Chấn tử đối xứng là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng khá phổ biến trong kỹ thuật anten. Nó có thể được xem là một anten độc lập, hoàn chỉnh (anten chấn tử đối xứng), đồng thời trong nhiều trường hợp nó cũng là phần tử để kết cấu những anten phức tạp. Theo định nghĩa, chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn (hai đoạn này có thể có hình dạng tùy ý: hình trụ, chóp, elipsôit 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 4.1). Trong một số tài liệu kỹ thuật , người ta cũng dùng thuật ngữ anten dipole ( anten lưỡng cực) để chỉ cho chấn tử đối xứng, còn đipol điện được khảo sát ở chương 2 của tài liệu này thì chính là một trường hợp riêng của 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, xác định các thông số như trở kháng bức xạ, trở kháng vào của anten. Để tìm trường bức xạ, như đã biết, cần xác định hàm phân bố dòng điện trên anten. Đây là một bài toán phức tạp, đã có nhiều công trình nghiên cứu và giải quyết. Trong chương này sẽ trình bày phương pháp gần đúng để xác định phân bố dòng điện trên chấn tử. Trên cơ sở đó sẽ có lời giải gần đúng bài toán xác định trường bức xạ và các thông số của anten chấn tử. Chương tiếp theo sẽ trình bày phương pháp chính xác để xác định phân bố dòng điện trên anten, trong đó có chấn tử, nhờ ứng dụng phương pháp moment là phương pháp có hiệu quả để giải các phương trình tích phân. 2. Xác định phân bố dòng điện và điện tích chính xác : phức tạp 3. Phương pháp gần đúng Giả sử chấn tử có dạng như vẽ ở hình 4.1a, với bán kính a rất nhỏ (chấn tử làm bằng dây dẫn điện hình trụ, rất mảnh). Phương pháp gần đúng xác định phân bố dòng điện trên chấn tử đối xứng dựa trên suy luận về sự tương tự giữa chấn tử đối xứng và đường dây song hành hở mạch đầu cuối không tổn hao, được gọi là phương pháp lý thuyết đường dây. Thật vậy, từ đường dây song hành (hình 4.2a) có thể biến dạng để nhận được chấn tử đối xứng (hình 4.2b) bằng cách mở rộng đầu cuối của đường dây đến khi góc mở giữa hai nhánh bằng 180 o . Việc mở rộng này sẽ làm mất tính đối xứng của đường dây song hành và tạo điều kiện để hệ thống có thể bức xạ sóng điện từ như khảo sát ở Đ0.3. Giả sử khi biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng thì qui luật phân bố dòng điện trên hai nhánh vẫn không thay đổi, nghĩa là vẫn có dạng sóng đứng.         ( ) sin | | 2 z b l I z I k z (4.1) l/2 2a l/2 Hình 4.1 [...]... trong mặt phẳng , không quá hẹp + có thể là anten dải rộng trong thông tin lưu động hàng hải (đối với đài phát một tần số chỉ cần anten dây đơn) 2 Anten sóng ngắn đơn giản a Anten không đối xứng (anten cần) : h   2 + anten phát : h=(35)m + anten thu có h nhỏ hơn - anten cần + kết cấu đơn giản, lắp ráp đơn giản + có thể không cần tải do yêu cầu về độ cao anten không lớn + không đối xứng : tính đối... thước anten (trang 260) 1 Khái quát  (chấn tử nửa sóng), đặc biệt là anten phát  bước sóng lớn (sóng trung, 2 sóng dài) thì yêu cầu là phải giảm nhỏ kích thước anten, giảm trọng lượng anten - Có nhiều phương pháp giảm nhỏ kích thước anten + Dùng tải điện kháng để điều chỉnh phân bố dòng (dùng anten có tải) + Thực hiện anten bằng kết cấu có vận tốc pha nhỏ (kết cấu sóng chậm) + Có thể kết hợp anten. .. hướng của anten khi thu bằng hàm phương hướng của anten khi phát 5.2:Vấn đề phối hợp cực tính anten thu phát  : hệ số phối hợp cực tính   p1 p 2 p1 : vecto cực tính của anten 1 p 2 :vecto cực tính của anten 2 p , p trùng phương  cực đại 1 2 p , p ngược phương   suy giảm 1 2 Sức điện động đầu vào anten thu tỷ lệ với  5.3: Diện tích hiệu dụng của anten thu -thường được sử dụng trong các anten mặt... trong dải tần hiệu suất anten không nhỏ hơn một giá trị nhất định -Đối với anten sóng ngắn (SW): quan tâm đến hướng bức xạ cực đại F  ,    Phân ra bốn nhóm dải tần công tác thông qua hệ số bao trùm dải sóng: f F  max f min - anten dải tần hẹp ( anten điều chuẩn) F  f max  f f min  10% tb - anten dải tần tương đối rộng khi 10%  F  50% - anten dải rộng : 1.5  4 - anten dải tần siêu rộng:...  s  nên anten khung nhỏ rất ít dùng làm anten phát, hay sử dụng để làm anten thu R  320   2    (anten vô tuyến tìm phương) - ở chế độ thu : dùng làm anten khung nhiều vòng nên có sức điện động cảm ứng hai đầu là :    'ksEn sin n : số vòng dây  : hướng sóng tới E : cường độ điện trường tại điểm thu  ' : hệ số từ thẩm tương đối trong lõi cuộn dây s : tiết diện vòng dây b Anten từ -... anten lồng có n sợi, mỗi sợi có độ dài l, bán kính r, bán kính lồng là a thì a =a 2 td nr a + sử dụng anten có thiết diện lớn a td  h anten chấn tử bản rộng a tăng td 4 + mạch diều hướng anten ( anten tuner) : ghép nối tiếp anten một điện kháng L và C, để có thể bù đắp một phần điện kháng anten 3 Anten loga – chu kỳ - kết cấu : (trang 255) T,  quyết định độ dày chấn tử l l l   1  2    n1 ... khi giảm kích thước anten đến 2030 với tải nối dài phù hợp 3 Ví dụ ứng dụng (trang 263) Anten không đối xứng ở dải sóng dài, sóng trung (LW, MW) - anten tháp có tải, không tải - anten hình T,  6.3 : Tiếp điện và phối hợp trở kháng anten 1 Khái quát về Phiđơ - đây là đường truyền năng lượng có định hướng, làm tổn hao năng lượng trên dường truyền, truyền năng lượng từ máy phát đến anten - về lý thuyết... -diện tích hiệu dụng của anten khi làm việc ở chế độ thu bằng diện tích bức xạ của anten làm việc ở chế độ phát trong trường hợp lý tưởng S hd  2 D (D : hệ số định hướng) 4 Trong điều kiện anten mặt lý tưởng thì diện tích hiệu dụng cũng chính bằng diện tích hình học của nó Câu hỏi ôn tập : 1 Đặc tính phương hướng của anten thu 2 Phối hợp cực tính anten thu phát Chương 6: Kỹ thuật anten 6.1: Phương pháp... 300  300  3  a a a' a' 2 Câu hỏi ôn tập : 1 2 3 4 5 Mô hình toán khảo sát hệ anten thẳng Đặc tính của hệ anten thẳng đồng pha, đẳng biên Đặc tính của hệ anten ULA (đẳng biên, điều khiển pha) Đặc tính của hệ anten Dolph-Chebyshev Đặc tính của hệ anten phẳng  2 Chương 4 : Ảnh hưởng của mặt đất đến đặc tính bức xạ của anten 4.1 : Nguyên lý ảnh gương 1 Nguyên lý ảnh gương - trường bức xạ tại điểm B... tượng Phadinh nên phải tìm cách hạn chế) - yêu cầu của anten ở LW, MW là phải có hướng tính dọc theo mặt đất, hạn chế hướng tính theo góc nghiêng lên trời (giảm sóng trời, tăng sóng đất nên sẽ giảm hiện tượng Phadinh), thường dùng phân cực thẳng đứng 2 Một số loại kết cấu anten LW, MW a Anten dây  ,  - trụ đỡ căng anten, dây néo l . kháng cho anten Chương 7 Anten sóng dài, trung, ngắn 32 7.1 Anten sóng dài, trung 7.2 Anten sóng ngắn Chương 8 Anten sóng cực ngắn 36 8.1 Anten chấn tử 8.2 Anten khe 8.3 Anten. Chương 5 Lý thuyết anten thu 25 5.1 Nguyên lý thu sóng điện từ 5.2 Công suất thu cực đại trên tải anten thu 5.3 Diện tích hiệu dụng của anten thu Chương 6 Kỹ thuật anten 26 6.1 Các. dài hiệu dụng Chương 3 Bức xạ của hệ anten 14 3.1 Anten ghép 3.2 Dãy chấn tử 3.3 Hệ thống chấn tử đồng pha 3.4 Bức xạ của anten mặt 3.4 Hệ anten có xử lý tín hiệu Chương 4 Ảnh