Xây dựng được tập hợp các anten chấn tử với độ dài có khả năng bức xạ tốt nhất sóng điện từ

Trong những năm gần đây, khoa học công nghệ phát triển như vũ bão trên mọi lĩnh vực với hàng loạt những nghiên cứu, phát minh mới đã góp phần không nhỏ trong việc nâng cao trình độ sản xuất và đời sống của con người. Một trong những lĩnh vực được đánh giá là có triển vọng nhất và được coi là thế mạnh của Việt Nam hiện nay phải kể đến viễn thông, nó làm cho con người xích lại gần nhau hơn, làm cho 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 phát triển của các thiết bị thu phát và khả năng truyền lan sóng điện từ hiện nay, bởi lẽ hầu hết các hệ thống truyền dẫn thông tin, liên lạc chúng đều sử dụng phương thức truyền lan sóng điện từ là chủ yếu.

LỜI MỞ ĐẦU

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

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

Các thiết bị thu phát và chuyển tiếp sóng điện từ gọi chung là anten Tuỳtheo điều kiện công tác, mục đích sử dụng cũng như kết cấu của các hệ thốngviễn 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 cácbăng tần ở dải sóng dài, sóng trung dần dần bị thay thế bởi các băng tần ở dảisóng ngắn và cực ngắn Với lợi thế là khả năng bức xạ tốt ở các dải sóng nàycùng với kết cấu tương đối đơn giản, dễ dàng điều chỉnh và kết hợp với các loại

anten khác để tạo thành một hệ bức xạ mà anten chấn tử là lựa chọn tối ưu tronghầu hết các thiết bị vô tuyến điện.

Trong phạm vi đề tài này, chúng em đã nghiên cứu đặc tính phương hướngcủa chấn tử đối xứng nhằm tìm ra được giá trị giới hạn độ dài chấn tử sao chohướng tính của nó còn đạt cực đại ở hướng   90 0.Đây là một trong nhữnghướng bức xạ quan trọng của anten trong việc thu phát sóng điện từ

Nội dung đề tài bao gồm 6 phần :

I Giới thiệu chung về chấn tử đối xứng

II Mô hình toán

III Đặt vấn đề

IV Giải quyết vấn đề

V Biện luận và đánh giá kết quả

VI Tài liệu tham khảo

Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Trần Xuân Việt đã tận tình hướngdẫn chúng em trong quá trình nghiên cứu, đồng thời, chúng em cũng xinchân thành cảm ơn Ths Phạm Việt Hưng đã đóng góp những ý kiến quýbáu để giúp chúng em có thể hoàn thành được đề tài này

Mặc dù đã cố gắng để hoàn thiện báo cáo này, nhưng sẽ không tránh khỏi

của thầy cô và các bạn sinh viên quan tâm đến vấn đề này để xây dựngnên một đề tài hoàn thiện hơn.

I GIỚI THIỆU CHUNG VÈ CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG

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 hàngtrong không gian, và ở giữa chúng được nối với nguồn dao động cao tần

Khi khảo sát anten chấn tử đối xứng, để đạt được hiểu quả sử dụng nhưmong muốn thì vấn đề cơ bản là cần xác định các các thông số kĩ thuật sau :

 Điện trở bức xạ: Đây là đại lượng biểu thị mối quan hệ giữa công suất bức

xạ và bình phương dòng điện trên chấn tử: P= I².R

 Trở kháng vào: là đại lượng đặc trưng cho trị số của chấn tử đóng vai trò

là tải khi nó được mắc vào máy phát cao tần

 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích: là các thông số đánh giá hướng tínhcủa mỗi anten bằng cách so sánh anten ấy với anten chuẩn mà đặc tính của

nó đã biết trước Hai thông số này thể hiện đầy đủ cả đặc tính phươnghướng và sự tổn hao công suất trên chấn tử

 Độ dài hiệu dụng: là độ dài của một anten dây giả định có dòng điện phânĐộ dài hiệu dụng:

bố đồng đều với biên độ bằng biên độ dòng điện tại điểm cấp điện củaanten khảo sát,khi thoả mãn điều kiện bằng nhau về cường độ trường ởhướng bức xạ cực đại

1 os

2 kl sin 2

hệ thống bực xạ, và được kí hiệu là f  , 

Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu sự phụ thuộc của đặc tính phương hướng vàothông số độ dài của anten chấn tử đối xứng

II MÔ HÌNH TOÁN

Giả sử chấn tử có độ dài l, được đặt dọc theo trục 0z, tâm pha trùng với gốc tọa độ Tọa độ điểm khảo sát là (R, , ) Khi khảo sát trường vùng

Từ hình vẽ ta thấy rằng:

 Hàm phương hướng của anten chấn tử đẳng hướng với mặt phẳng vuônggóc với trục của chấn tử (mặt phẳng φ).)

 Hàm phương hướng bức xạ bằng không tại θ=00 hoăc θ=1800

 Đặc tính hướng chỉ xác định trong mặt phẳng chứa trục của chấn tử và phụ

thuộc vào chiều dài l.

Vậy ta có hàm phương hướng của anten chấn tử được xác định bởi :

2

f F

Khi nghiên cứu về anten chấn tử người ta thường sử dụng độ dài tương đối so

với bước sóng Ký hiệu: l

b: l/λλ=0.5

c: l/λλ=1

d: l/λλ=1.25

III ĐẶT VẤN ĐỀ.

Từ các đồ thị phương hướng ta nhận thấy:

 Khi anten có độ dài l/λ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồλ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồthị phương hướng của dipol điên (hình 2.b), chỉ khác là nó có độ rộng hẹphơn (so sánh 2.a với 2.b).Điều này được giải thích như sau:

- Vì trường bức xạ của dây dẫn tại điểm khảo sát bằng tổng vecto củatrường tạo bởi các dipol thành phần (anten là tập hợp của các dipole) Khi

độ dài l/λ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồλ rất nhỏ, dòng điện ở mọi điểm trên anten đồng pha nhau Đồngthời vì có thể coi khoảng cách từ các dipol đến các điểm khảo sát bằngnhau nên trường bức xạ của các dipol riêng rẽ sẽ đồng pha và được cộngđại số với nhau Biên độ trường bức xạ của dây dẫn ở các điểm trongkhông gian đều tăng lên một số lần giống nhau so với cường độ trườngbức xạ của một dipol điện riêng rẽ Vì vậy mà đồ thị phương hướng củaanten không khác so với đồ thị phương hướng của dipol điện

- Đồ thị phương hướng của nó hẹp hơn là do sai pha khoảng cách giữa cácdipol thành phần.

 Khi tăng dần độ dài anten (trong giới hạn vẫn đảm bảo đồng pha dòngđiện trên anten, nghĩa là l/λ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồλ ≤ 1) thì đồ thị phương hướng sẽ hẹp dần lại(hình 2.b, 2.c)

- Thật vậy, sự tăng độ dài anten trong giới hạn nói trên sẽ tương đương vớiviệc tăng số dipol đồng pha sắp xếp theo đường thẳng Cường độ trường

ở khu xa theo hướng vuông góc với anten sẽ bằng tổng đại số cường độtrường của các dipole điện riêng rẽ, vì theo hướng này không có sai phakhoảng cách Bức xạ được tăng cường theo hướng = ±90º Khi dịchchuyển điểm khảo sát khỏi hướng này sẽ xuất hiện sai pha khoảng cách.Cường độ trường tại điểm khảo sát trong trường hợp này sẽ nhỏ hơntrường ở hướng = ±90º Tổng vecto sẽ giảm nhanh nếu điểm khảo sátcàng dịch chuyển xa hướng = ±90º

 Khi tăng độ dài anten qúa giới hạn một bước sóng (l>λ) sẽ xuất hiện khuλ) sẽ xuất hiện khuvực dòng điện ngược pha.Đồ thị phương hướng có xu thế hẹp lại nhưngđồng thời sẽ xuất hiện các cực đại phụ (hình 2.d, 2.e) Sự xuất hiện cáccực đại phụ là do bức xạ theo hướng vuông góc với trục dây dẫn của các

dipol thuộc khu vực dòng điện ngược pha sẽ bị triệt tiêu bởi bức xạ củacác dipol thuộc khu vực dòng điện mang dấu dương, vì theo hướng nàykhông có sai pha khoảng cách nhưng sai pha dòng điện bằng  Nếu dịchchuyển điểm khảo sát khỏi hướng  = ±90º thì sẽ xuất hiện góc sai phakhoảng cách của trường tạo bởi các dipol thuộc hai khu vực nói trên.Ta cóthể tìm được hướng  mà theo hướng đó sai pha khoảng cách của trườngtạo bởi hai khu vực dòng điện sẽ bằng  Tổng sai pha của trường sẽbằng 2, nghĩa là trường bức xạ tạo bởi các dipol thuộc hai khu vực dòngđiện ngược pha sẽ trở nên đồng pha nhau, và ở hướng đó sẽ xuất hiện cựcđại phụ.

 Tiếp tục tăng độ dài dây dẫn thì cường độ trường theo hướng = ±90º sẽgiảm (do ảnh hưởng bức xạ của các dipol có dòng điện ngược pha gây ra),đồng thời biên độ cực đại phụ sẽ tăng

 Khi l

 =2 trường bức xạ theo hướng = ±90º sẽ hoàn toàn bị triệt tiêu, còncác cực đại phụ sẽ trở thành các cực đại chính của anten.(hình 2.f)

 Như vậy đồ thị phương hướng của anten chấn tử sẽ thay đổi khi thay đổi

độ dài của của nó Cụ thể như sau:

 Khi l

 biến đổi, tăng từ giá trị rất nhỏ (tương đương với một dipol điện)đến một giới hạn nhất định thì anten chấn tử càng tăng độ định hướng ởgóc   90 0tức là hàm phương hướng đạt cực đại ở   90 0, và giá trị θ3

 Từ những nhận xét trên ta nhận thấy rõ ràng là tồn tại một giá trị giới hạn

 Theo những quan sát về sự thay đổi của hàm bức xạ trên trên hình vẽ

(hình 2) thì giá trị ( l

 )gh sẽ nằm trong khoảng từ 1.25 đến 1.5 Vì trongkhoảng đó hướng bức xạ   90 0 ta cần nghiên cứu có sự nhảy bậc(chuyển từ còn đạt cực đại sang không đạt cực đại thậm chí còn bị triệttiêu hoàn toàn) Vậy giá trị cụ thể này sẽ là bao nhiêu? Câu hỏi này vẫnchưa có câu trả lời chính xác! Mà ta chỉ biết được rằng chỉ tồn tại một giá

đổi của θ3 theo l

 như thế nào? Đây cũng là một câu hỏi chưa có lời giải

đáp! Chỉ biết rằng khi l

 thay đổi thì θ3 cũng thay đổi theo?

 Chúng ta sẽ trả lời các câu hỏi trên bằng cách giải quyết hai bài toán dướiđây:

 Bài toán thứ nhất: Tính giá trị ( l

IV GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

để đồ thị phương hướng của chấn tử còn đạt cực đại như ở hướng   90 0 Hay

nói một cách khác, tại giá trị giới hạn của l

sẽ tồn tại hai hướng cùng đạt cực đại.Trong đó một hướng là   90 0 như đã biết

Như vậy ta chỉ cần sử dụng một chương trình trong Matlab, hay trong C++ là cóthể tìm ra được lời giải cho bài toán trên Trong chương trình này chúng ta sẽ so

sánh giá trị hàm phương hướng của chấn tử (trong khoảng l

biến đổi từ 1.25÷1.5)với giá trị cực đại của nó tại   90 0 Khi hai giá trị này bằng nhau tức là ta đãgiải quyết xong bài toán trên

Kết quả thu được L= l

 = 1.44, =>λ) sẽ xuất hiện khu ( l

 )gh= 1.44 Kết quả này tính chính xác đến0.01 nếu muốn tăng độ chính xác chỉ cần thay đổi tăng bước nhảy trong câu lệnhtrên

Kết quả này sẽ được biện luận ở phần IV Biện luận và đánh giá kết quả

Với bài toán này chúng ta có thể giải quyết được theo ba cách sau:

 Biểu diễn dưới dạng đồ thị (phương pháp này rất trực quan, thể hiện rõ

ràng sự phụ thuộc θ3 vào l

 ).

 Biểu diễn dưới dạng bảng (ta có thể tra cứu các giá trị cụ thể của θ3 ứng

với mỗi giá trị của l

 )

 Sử dụng một chương trình trong Matlab để tra cứu nhanh chóng giá trị θ3

khi nhập bất kỳ giá trị l

nào

Câu lệnh

Clear ; %Xóa bộ nhớ for i= 1: 1.44

hold on;

plot(dodai,goc); %vẽ đồ thị

Sau khi chạy chương trình sẽ cho ta một đồ thị tổng quát như hình bên dưới:

Hình 3: Sự phụ thuộc của độ rộng búp sóng chính θ3 theo l



b Biểu diễn sự phụ thuộc của góc θ 3 theo l

 như trong bảng sau:

Khi chạy chương trình ta không dung lệnh vẽ đồ thị mà mà để các giá trị in ratheo từng hàng tương ứng với từng cặp độ dài và góc, sau đó ta có thể biểu diễngọn chúng lại như bảng dưới (bảng 1)

Độ dài (l/λλ)

Góc θ 3 (độ) Độ dài (l/λλ) Góc θ 3 (độ)

Clear %Xóa bộ nhớ.

disp('nhap vao gia tri do dai chan tu theo buoc song :');

disp('chu y la chi nhap trong khoang tu 0.01 >1.44');

L= input(‘\nhap gia tri L=’);

Với chương trình này chạy trong matlab thì ứng với mỗi giá trị l

 ta sẽ nhậnđược một giá trị kết quả ứng với góc q3 Dưới đây là một vài giá trị cụ thể (bảng2)

1 Bài toán thứ nhất: tìm giá trị giới hạn l



Với giá trị giới hạn của l

 thu được như trên là 1.44 (tính chính xác đến 0.01)

Điều này có nghĩa là khi l

 ≤ 1.44 thì đồ thị phương hướng vẫn đạt cực đại ở

hướng   90 0, còn khi l vượt ra khỏi giá trị giới hạn này thì đồ thị phương

hướng không còn đạt cực đại theo hướng   90 0 nữa

Ta có thể thấy rõ được điều này qua các hình vẽ sau:

a: l

 =1.43

b: l

=1.44

c: l

 =1.45

Hình 4: Đồ thị phương hướng của chấn tử trong các trường hợp giới hạn

Quan sát các hình vẽ ở trên ta có thể rõ ràng nhận thấy rằng:

 Khi l

=1.45 (hình 4.c) thì hàm đạt cực đại ở hướng   90 0 Như vậy đã

có sự đột biến của hướng bức xạ cực đại tại giá trị l

 Kết quả cũng tương tự khi ta biểu diễn bằng bảng, hay một hàm (đã dẫnchứng một số kết quả ở bảng 2 so với bảng 1) Với bảng 1 đã lập được ta

có thể tra cứu một cách dễ dàng các giá trị của θ3 khi l

 thay đổi từ 0 đếngiá trị tới hạn

 So sánh với các số liệu đã có [1] với kết quả tính toán được ta nhận thấy

độ chính xác cao hơn Mặc dù kết quả đưa ra trong các tài liệu có sai số làkhông đáng kể.

 Việc giải quyết hai bài toán này đã trả lời cho những câu hỏi giá trị ( l

  như thế nào? Mà từ trước

tới nay nó chỉ là những nhận xét khái quát

 Như vậy với việc tìm ra giá trị tới hạn ( l

 )gh để đặc tính hướng của chấn tửvẫn đạt cực đại ở góc θ= ±90º thì việc thiết kế ra các anten chấn tử có khảnăng bức xạ tốt sẽ trở nên thuận tiện, dễ dàng hơn

 Việc phối ghép anten chấn tử với nhau sẽ cho hiệu quả cao nhất khi ta biếtđược hướng tính của mỗi anten, ta sẽ tạo ra một hệ thống thu phát sóngđiện từ đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của kỹ thuật anten

3 Hướng phát triển đề tài

Với đề tài này chúng ta có thể xây dựng được tập hợp các anten chấn tử với

độ dài thích hợp, sao cho nó có khả năng bức xạ tốt nhất sóng điện từ Đápứng nhu cầu truyền thông tin vô tuyến với chất lượng ngày càng cao

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Phan Anh, Lý thuyết và Kỹ thuật anten, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ

thuật Hà nội, 2007

[2] Sophocles J Orfanidis, Electromagnetic Waves and Antennas, www.

ece rutgers edu/λ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồ~ orfanidi/λ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồ ewa, 2004