Đồ án thiết kế và thi công anten yagi

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tin Ở hệ thống phát anten đóng vai trò như là thành phần bức xạ sóng điện từ, nó chuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian.

MỤC LỤC

Mở Đầu 4

Tóm Tắt nội dung 5

Phần I : Lý Thuyết Anten 6

Chương 1: Giới Thiệu Sơ Lược Về Anten 6

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten 6

1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát 7

1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện 8

1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten 10

Chương 2: Lý Thuyết Cơ Bản Về Anten 12

2.1 Quá trình bức xạ sóng điện từ 12

2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ 14

2.3 Dải tần và dải tần công tác của anten 19

2.4 Hệ phương trình Maxwell 20

2.5 Hệ số tác dụng định hướng D và Hệ số tăng ích G 25

Chương 3: Lý Thuyết Gần Đúng Về Chấn Tử Đối Xứng 29

3.1 Phân bố dòng trên chấn tử đối xứng 29

3.2 Trở kháng sóng của chấn tử đối xứng 34

3.3 Trở kháng vào của chấn tử đối xứng 34

3.4 Độ rút ngắn của chấn tử nửa sóng 36

3.5 Hệ số tác dụng định hướng của chấn tử đối xứng 37

Chương 4: Lý Thuyết Anten Thu 39

4.1 Chấn tử đối xứng làm việc ở chế độ thu 39

4.2 Áp dụng nguyên lý tương hỗ để nghiên cứu tính chất chung của anten thu 42

4.3 Công suất thu được trên tải anten thu 46

4.4 Diện tích hiệu dụng của anten thu 48

Phần II: Thiết Kế Và Thi Công Anten Yagi 50

Chương 5: Anten Yagi 50

5.1 Cấu trúc của anten Yagi 50

5.2 Phương pháp tính các đặc trưng tham số của anten 58

5.3 Vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng 61

Chương 6: Mô Phỏng 69

6.1 Trường hợp d = 0,25λ; f = 650 Mhz; thay đổi N 69

6.2 Trường hợp N = 6, f = 650 Mhz; thay đổi d 72

6.3 Trường hợp N = 6; dpx = ddx = 0,25λ, thay đổi tần số 76

6.4 Trường hợp f = 650 Mhz; thay đổi N và d 79

6.5 Trường hợp dpx = ddx = 0,115 m thay đổi N và f 81

6.6 Trường hợp N = 6, thay đổi f và d 83

Chương 7: Thiết Kế Và Thi Công Anten Yagi Thu Các Kênh Truyền Hình BTV1, BTV2 86

7.1.Vài nét về dài truyền hình Bình Dương 86

7.2 Chọn mô hình và các thông số cấu tạo của anten 87

7.3 Tính đặc trưng hướng 89

7.4 Tính trở vào của anten 93

7.5 Tính hệ số tác dụng định hướng 94

7.6 Tiếp điện cho anten 95

7.7 Thi công 95

Kết luận và hướng phát triển 96

Tài liệu tham khảo 98

Phụ Lục 1: Các toán tử trường điện từ anten 99

Phụ Lục 2: Bảng trở kháng của hai chấn tử nửa sóng 101

Phụ Lục 3: Chương trình mô phỏng 104

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con người ngày càng cao và thật sự cần thiết Bằng cách sử dụng các hệ thống phát, thu vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của con người

ở các khoảng cách xa một cách nhanh chóng và chính xác

Bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng anten để phát hoặc thu tín hiệu Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp rất nhiều các hệ thống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTS dùng cho các mạng điện thoại di dộng Hay những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại di động, radio … cũng đều sử dụng anten

Qua việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật anten sẽ giúp ta nắm được các

cơ sở lý thuyết anten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số cơ bản của các loại anten thường dùng Đó là lý do người thực hiện chọn

đề tài “ Thiết kế và thi công anten Yagi”

Mục đích của đề tài là tìm hiểu về lý thuyết anten, phương pháp tính và thiết

kế anten Yagi thu được các kênh BTV1, BTV2 của đài truyền hình Bình Dương Như thế, giới hạn của đề tài chỉ trong phạm vi hẹp là nghiên cứu anten Yagi và các phần lý thuyết có liên quan Tuy nhiên đây là cơ sở rất quan trọng để có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển kỹ thuật anten

 Lý thuyết về truyền sóng

 Lý thuyết cơ bản về anten

 Lý thuyết gần đúng về chấn tử đối xứng

 Lý thuyết về anten thu

 Phần II: Thiết kế và thi công anten Yagi

Phần này sẽ trình bày về lý thuyết anten Yagi

Sử dụng Matlab để mô phỏng đồ thị bức xạ của anten khi thay đổi các thông số kỹ thuật của anten

Trình bày quá trình thiết kế anten Yagi thu các kênh BTV1, BTV2 của đài truyền hình Bình Dương theo yêu cầu của đề tài

Phần I:

LÝ THUYẾT ANTEN

- -

Chương 1:

GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ ANTEN

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten

Anten là những hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ Anten

có thể được xem như là các thiết bị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào như: cáp đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang

Trong nhiều ứng dụng, các anten có thể cạnh tranh với các phương tiện truyền dẫn khác để phát và chuyển tải năng lượng trường điện từ Thông thường suy hao trường điện từ trong các vật liệu sẽ tăng nhanh theo tần số Điều này được hiểu ngầm rằng, khi tần số tăng thì việc dùng các phần dẫn sóng bằng vật liệu sẽ kém thuyết phục và kém hiệu quả trong việc chuyển tải năng lượng trường điện từ (Điều này cũng có nghĩa là hiệu suất của anten cũng tăng theo tần số) Do đó thực

tế Anten được ưa chuộng hơn trong việc chuyển tải các trường điện từ ở tần số cao

Sóng điện từ, nền tảng của lý thuyết anten, được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện học và từ học Maxwell đã hệ thống một cách khái quát toàn bộ lý thuyết trên thành một hệ phương trình rất nổi tiếng và rất quan trọng: hệ phương trình Maxwell Một vài mốc quan trọng trong lịch sử phát triển của Anten:

 Năm 1886: nhà vật lý người Đức Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu dùng một mạch dao động hở với lưỡng cực Hertz thì ở vùng xa lưỡng cực sẽ hình thành trường phát xạ

 Sau khi hoàn thành dụng cụ để chứng minh thí nghiệm của Hertz, năm

1897 Popob nhà phát minh vô tuyến điện người Nga đã dùng các dụng cụ này làm phương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn và có khả năng truyền các tín hiệu ở khoảng cách 3 dặm

 Năm 1901 : Guglielmo Marconi đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cách lớn Hệ thống này hoạt động ở tần số khoảng 60 Khz

 Năm 1916 : Trước năm 1916, hầu hết thông tin vô tuyến chủ yếu là điện báo Trong năm 1916, lần đầu tiên sử dụng tín hiệu đã điều chế biên độ để truyền tín hiệu thoại qua sóng vô tuyến

 Năm 1930: Người ta tạo được nguồn phát klystron và magnetron có khả

năng phát ra tín hiệu với tần số lên đến GHz (gọi là dao động cao tần)

 Từ 1940 đến nay: Anten đã được ứng dụng rất rộng rãi trong hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thiên văn,

vô tuyến điều khiển từ xa, …

1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên lạc dùng anten được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Sau đây là sơ đồ hệ thống thu phát đơn giản :

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tin

Ở hệ thống phát anten đóng vai trò như là thành phần bức xạ sóng điện từ, nó chuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian Khi đến anten thu thì năng lượng điện từ được biến đổi thành tín hiệu điện ở máy thu,

ở đây tín hiệu được trả về dạng ban đầu của nó

1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện bằng hai con đường Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, v.v… “chuyên chở” sóng điện từ trực tiếp trên đường truyền dưới dạng dòng điện Sóng điện từ lan truyền trong hệ thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến)

Cách truyền này tuy có độ chính xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp không thể xây dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay thế bằng cách cho sóng điện từ bức xạ ra môi trường tự do Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến nơi thu Vậy cần phải có một thiết bị phát sóng điện từ ra không gian cũng như thu nhận sóng điện

từ từ không gian, để đưa vào máy thu Loại thiết bị này được gọi là anten

Hệ thống cảm ứng bức xạ

Hệ thống gia công tín hiệu

Máy thu Thiết bị

Thiết bị điều chế Máy phát

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, vì đã là hệ thống vô tuyến có nghĩa là hệ thống đó có sử dụng sóng điện

từ, thì không thể không dùng đến thiết bị bức xạ hoặc thu sóng điện từ

Ví dụ, một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu Thông thường giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổi thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian Cấu tạo của anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên

Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nó tiếp thu sóng điện từ tự do

từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này sẽ được truyền theo fide tới máy thu, còn một phần sẽ bức xạ trở lại vào không gian (bức xạ thứ cấp)

Yêu cầu của thiết bị anten-fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu

Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiến từ xa…

Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau.Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang, để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều

có thể thu được tín hiệu của đài phát Song anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết

Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến điều khiển…thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian

Như vậy nhiệm vụ của anten không 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

Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, rada, điều khiển … cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten, hệ thống cung cấp tín hiệu bảo đảm việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạvới các yêu cầu khác nhau, hoặc hệ thống gia công tín hiệu

1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten

Những yêu cầu cơ bản đối với anten được xác định bởi nhiệm vụ của thiết bị

vô tuyến điện, chẳng hạn yêu cầu về:

 Tính định hướng

Anten của các đài truyền thanh, truyền hình phải phát xạ đều theo mọi phía dọc mặt đất, còn trong radar thông tin cần phải phát xạ trong một hình quạt hẹp nhằm để tập trung năng lượng về phía đài đối Anten cũng phải có tính chất thu định hướng, cùng với độ chọn lọc của máy thu, tính chọn lọc theo hướng của anten

là phương tiện chống nhiễu có hiệu quả

nhau vào ban ngày và ban đêm Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau

mà không có sự thay đổi đáng kể về chất lượng

 Tính phân cực

Tính phân cực cũng phải tùy yêu cầu cụ thể Chẳng hạn anten phải đặt trên vật thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính ( hướng vectơ điện trường không thay đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực tròn hay phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động vẽ nên đường tròn hay elip)

Ngoài ra, để đảm bảo khả năng thông tin theo kiểu tán xạ từ các miền bất đồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của anten phải thay đổi theo một chương trình nhất định

Để đánh giá được anten thực hiện nhiệm vụ và thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật

đề ra như thế nào ta thường dùng các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten sau đây:

 Nhóm các đặc trưng: Đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực

 Nhóm các tham số: Hệ số tác dụng định hướng, hiệu suất, hệ số khuếch đại, chiều dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng, trở kháng vào…

Để ví dụ ta xét một mạch dao động có kích thước rất nhỏ so với bước sóng Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh một điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh một từ trường biến thiên Những điện trường, từ trường này hầu như không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điện nên năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy Còn năng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện (hình 2.1b) thì dòng điện dịch sẽ không chỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽ lan tỏa ra môi trường ngoài và có thể truyền tới những điểm nằm cách xa nguồn (nguồn điện trường là các điện tích biến đổi trên hai má tụ điện)

Hình 2.1: Ví dụ về mạch dao động thông số tập trung Nếu mở rộng hơn nữa kích thước của tụ điện (hình 2.1 c,d) thì dòng điện dịch

sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng

sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là không còn liên hệ với các điện tích trên hai má tụ điện nữa Thật vậy, nếu ta quan sát các đường sức điện trường ở gần

tụ điện thì thấy chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là các điện tích trên hai má tụ điện Do đó giá trị của điện trường ở những điểm nằm trên đường sức ấy sẽ biến thiên đồng thời với sự biến thiên của điện tích trên hai má tụ điện Nhưng nếu xét một điểm M cách xa nguồn thì có thể thấy rằng tại một thời điểm nào đó, điện trường tại M có thể đạt một giá trị nhất định trong lúc điện tích trên hai má tụ điện biến đổi qua lại giá trị 0 Khi ấy các đường sức điện trường sẽ không còn ràng buộc với các điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian, nghĩa là đã hình thành một trường xoáy Theo quy luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường này sẽ tiếp tục tạo ra một điện trường xoáy, nghĩa là đã hình thành một quá trình sóng điện từ Phần năng lượng thoát ra ngoài và truyền đi trong không gian tự do được gọi

là năng lượng bức xạ hay năng lượng hữu công Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn sẽ dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc tạo thành sóng điện từ, được gọi là năng lượng vô công

b)

Ta nhận thấy rằng, một hệ thống bức xạ điện từ có hiệu quả là một hệ thống

mà trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có khả năng thâm nhập được nhiều vào không gian bên ngoài Để tăng cường khả năng bức xạ của các hệ thống,

ta cần mở rộng hơn nữa không gian bao trùm của các đường sức điện trường Dipole Hertz là một cấu trúc bức xạ có hiệu quả Nó được hình thành từ các hệ thống điện từ nói trên với sự biến dạng hai tấm kim loại của tụ điện thành hai đoạn dây dẫn mảnh và hai quả cầu kim loại ở hai đầu Dipole Hertz là một trong các nguồn bức xạ đơn giản nhất và là phần tử để cấu trúc thành các anten dây phức tạp

2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ

Giả sử sóng điện từ truyền lan trong môi trường không tổn hao Trong chế độ dao động điều hòa, giá trị tức thời của một trong các thành phần bất kỳ của vectơ

E hoặc H trên trục của hệ toạ độ vuông góc sẽ có dạng:

ở đây trục z được coi là hướng truyền sóng Từ (2.1) ta thấy sự biến đổi pha

của trường dọc theo hướng truyền sóng được xác định bởi đại lượng ( t z)

Từ đây ta xác định được vận tốc pha của sóng:

Giả sử ở điểm z = 0 có tín hiệu biến đổi theo thời gian với quy luật f(t)

Khảo sát ở các điểm khác nhau trên trục z, khi t > 0, tín hiệu ấy có dạng như

thế nào Nói cách khác, ta sẽ xác định hàm f(t,z) nếu biết hàm f(t,0) và biết các đặc

tính của môi trường mà sự truyền sóng xảy ra trong đó

A  là mật độ phổ của hàm f(t) Theo (2.3), hàm f(t,0) là tổng của vô số các

dao động điều hòa với tần số  và biên độ 1 ( )A  d

Ta thấy rằng sự truyền tín hiệu theo một hướng cho trước có liên quan đến sự

lan truyền của tất cả các thành phần điều hoà của nó

Vì hệ số pha  2  là hàm số của tần số, nghĩa là    ( ), nên tích phân

theo  trong (2.4) có thể chuyển thành tích phân theo β

[ ( ) ] 0

phân trong (2.4) sẽ được lấy trong khoảng 0  ≤  ≤ 0  , còn tích 

phân trong (2.5) sẽ được lấy trong khoảng 0      0   , ở đây 

Sau đó thay (2.7) vào (2.6)

Với khoảng cách phân tích nhỏ, có thể chỉ cần lấy hai số hàng đầu trong dãy

khai triển (2.7) Khi ấy tích phân (2.6) sẽ trở thành:

0 0

( ) [ ( )]

1( , ) Re ( )

( ) ( ) ( )



 là đạo hàm

d d



 tại   0 Tiếp theo ta đưa biến số tích phân mới     0 , sẽ nhận được:

Giả thiết A( ) là hàm liên tục, biến đổi chậm Khi đó trong khoảng nhỏ [  nó có thể được coi là hằng số, bằng  , ] A( )0 Trong trường hợp này

0

0 0

( ) 0

1

d

i t z d

d t z d

sin 2

d t z d

F t z A

d t z d

sẽ là hàm biến đổi chậm theo biến số t và z Vì vậy có thể coi hàm số này là biên

độ của sóng cos(0t  0z  0) Với z = const, hàm F(t,z) sẽ là đường bao của tín hiệu f(t,z) có phổ hẹp

Từ (2.9) khi tăng thời gian, đường bao sẽ dịch chuyển theo trục z và cực đại

f nh

f f

Hệ thống định hường mà chúng ta đang xét cũng có đặc tính trên

f f

     

và  f nh  2

Như vậy, trong môi trường không có đặc tính tán tần thì tín hiệu có dạng bất

kỳ sẽ truyền lan với vận tốc  và dạng của tín hiệu không bị biến đổi

2.3 Dải tần và dải tần công tác của anten

2.3.1 Dải thông tần

Ngoài các đặc tính bức xạ của anten về năng lượng, khi khảo sát anten còn cần lưu ý đến một đặc tính quan trọng nữa là dải thông tần, nghĩa là dải tần số mà trong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức xạ hoặc thu phổ của tín hiệu không bị méo dạng

Thông thường trở kháng vào của mỗi anten là một hàm số của tần số Do đó, nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (tín hiệu xung, tín hiệu số, tín hiệu vô tuyến truyền hình, …) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ, biên độ tương đối của dòng điện đặt vào anten (trong trường hợp anten là một anten phát) hoặc sức điện động thu được (trong trường hợp anten là một anten thu) sẽ biến đổi, làm thay đổi dạng phổ của tín hiệu Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào của anten theo tần số sẽ dẫn đến tình trạng lệch phối hợp trở kháng và xuất hiện sóng phản xạ trong fide Khi một tín hiệu có phổ rộng truyền qua fide thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ sẽ có sự trễ pha khác nhau và gây ra méo dạng tín hiệu Vì vậy tốt nhất là phải bảo đảm được trong suốt dải tần số làm việc

const

R in  và X in 0

Ngoài ra, vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì biên độ tương đối của cường độ trường bức xạ (hoặc thu được), đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây méo dạng tín hiệu Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm và trong thực tế, độ rộng dải tần của anten được quyết định chủ yếu bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào anten với tần số

2.3.2 Dải tần công tác

Có nhiều trường hợp chúng ta đòi hỏi anten không chỉ làm việc được ở một tần số mà nó phải có thể làm việc ở mọi tần số khác nhau Ứng với mỗi tần số khác nhau ấy anten phải đảm bảo những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thông tần, … Dải tần mà trong giới hạn đó

anten làm việc với các chỉ tiêu kỹ thuật đã cho gọi là dải tần công tác của anten Chỉ tiêu kỹ thuật này có thể khác nhau đối với từng loại anten cụ thể Ví dụ đối với anten chấn tử không đối xứng đặt thẳng đứng dùng làm anten phát ở dải sóng dài

và sóng trung thì yêu cầu là trong dải tần số công tác, hiệu suất anten không được nhỏ hơn một giá trị nhất định, anten phải có khả năng phát đi một công suất đã cho

và đảm bảo dải thông tần cần thiết Đối với trở kháng vào thì không cần yêu cầu

có giá trị nhất định mà khi thay đổi tần số công tác ta có thể điều chỉnh lại để phối hợp trở kháng Đối với chấn tử đối xứng nằm ngang dùng trong dải sóng ngắn thì yêu cầu đặc tính phương hướng của chấn tử phải có hướng bức xạ cực đại không thay đổi khi thay đổi tần số công tác để đảm bảo hướng thông tin cố định, yêu cầu trở kháng vào chỉ biến đổi trong một giới hạn cho phép để có thể mau lẹ chuyển tần số công tác mà không cần điều chỉnh lại mạch phối hợp trở kháng của anten… Căn cứ theo dải tần công tác, có thể phân loại anten thành bốn nhóm:

-Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn): 10 %

-Anten dải tần rộng: max

min

f f

Tỷ số của tần số cực đại và cực tiểu của dải tần công tác được gọi là hệ số bao trùm dải sóng

vectơ tức thời của cường độ điện trường: E  Re(E e. i t )  E. cost , hoặc Im( i t) sin

E  Ee  E t , trong đó E là biên độ phức của trường

Đối với dao động điện từ phức tạp, ta có thể coi nó là tổng của vô số các dao động điều hòa, nghĩa là có thể áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị

Coi môi trường khảo sát đồng hướng và đẳng hướng, phương trình Maxwell

ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

rotH i  pE J  e (1)

rotE   i  H (2)

e divE 



trong đó, E - biên độ phức của vectơ cường độ điện trường (V/m);

H - biên độ phức của vectơ cường độ từ trường (A/m);



  - hệ số điện thẩm phức của môi trường;

 - hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m);

đối với môi trường chân không

 





μ – hệ số từ thẩm của môi trường (H/m);

Đối với chân không o 4 10 7 H

 - mật độ khối của điện tích (C/m 3 )

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích Nhưng trong một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người

ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng và từ tích Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ có tính chất tượng trưng vì chúng không tồn tại trong thiên nhiên

Hệ phương trình Maxwell khi không có dòng điện và điện tích nhưng có dòng từ và từ tích ngoài sẽ được viết dưới dạng:

0, 0, e

trong đó:

E t – thành phần tiếp tuyến của cường độ điện trường trên bề mặt vật dẫn;

H n – thành phần pháp tuyến của cường độ từ trường trên bề mặt vật dẫn;

e

s

J - vectơ mật độ dòng điện mặt (A/m);

n- vectơ pháp tuyến ngoài của bề mặt vật dẫn

Theo nguyên lý đổi lẫn (2.17) ta thấy trường trên bề mặt của vật dẫn từ lý

tưởng phải thõa mãn các điều kiện bờ sau:

0; 0; m

H  E  J   n E (2.19)

m s

Để giải hệ (2.15), người ta đưa ra một vectơ trung gian là vectơ thế điện Ae

Theo (4) trong hệ (2.15) ta có thể viết

Để giải hệ (2.16), người ta đưa ra vectơ thế từ A Theo (3) của hệ (2.16): m

Thay các giá trị E H, nhận được ở trên vào hai phương trình đầu của (2.20)

ta nhận được phương trình sóng của các véctơ thế điện và từ:

2 2

r – khoảng cách từ điểm xác định A e hoặc A đến điểm nguồn, nghĩa m

là đến điểm có dòng điện hoặc dòng từ trong thể tích V;

ikr

e

- số hạng biểu thị sự chậm pha của vectơ thế A và e A mở khoảng

cách r đối với nguồn Trong đó kr là góc chậm pha, k gọi là hệ số sóng

Đối với chân không:

c = 3.10 8 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không;

λ o – bước sóng trong chân không

Nếu dòng điện hoặc dòng từ phân bố trên mặt S thì các thế chậm sẽ được tính

Sau khi tính tích phân (2.29), (2.30) sẽ xác định được các vectơ thế A Thay

các kết quả ấy vào (2.25), (2.26) sẽ xác định được các vectơ E H, của trường

2.5 Hệ số tác dụng định hướng D và Hệ số tăng ích G

Để biểu thị hướng tính của mỗi anten, ngoài thông số về độ rộng của đồ thị

phương hướng người ta còn sử dụng một vài thông số khác cho phép dễ dàng so

sánh các loại anten với nhau: hệ số định hướng và hệ số tăng ích Khi ấy hướng

tính của mỗi anten được đánh giá bằnh cách so sánh anten ấy với một anten chuẩn

mà hướng tính của nó đã được biết một cách rõ ràng

2.5.1 Hệ số định tác dụng định hướng

Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho: là tỷ số của mật độ công

suất bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức

xạ bởi anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ

của hai anten giống nhau

Anten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vô hướng giả định, hoặc một nguồn

nguyên tố nào đó đã biết

S0 là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết

anten bức xạ đồng đều theo mọi hướng

2

E S

r



Với E 1 , 1 - biên độ cường độ bức xạ ở hướng  1 , 1;

W – trở kháng sóng của môi trường;

P bx- công suất bức xạ của anten chuẩn;

r – khoảng cách tại điểm đang xét đến anten

Biên độ cường độ bức xạ tại một hướng bất kì E(,) có quan hệ với hàm

phương hướng chuẩn hóa và giá trị cường độ trường ở hướng bức xạ cực đại như

2

E S

F D

Hàm phương hướng chuẩn hóa có giá trị bằng 1 ở hướng cực đại nên ta xác

định được hệ số định hướng ở hướng cực đại:

2.5.2 Hệ số tăng ích của anten

Hệ số tăng ích của anten cũng được xác định bằng cách so sánh mật độ công

suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten

chuẩn (thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giả

thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn có hiệu suất bằng 1

Hiệu suất của anten (A) cũng là một trong số các thông số đặc trưng cho

mức độ tổn hao công suất của anten Nó được xác định bởi tỷ số của công suất bức

xạ trên công suất đặt vào anten

0

bx

A P P

0

P - công suất đưa vào anten

Đối với anten có tổn hao thì P bx < P 0  A < 1, còn anten lý tưởng (không

tổn hao) thì A =1

Trường hợp hai anten có công suất đặt vào như nhau bằng P 0 thì anten thực

(hiệu suất A < 1) sẽ có công suất bức xạ A P 0 Như vậy so với khi công suất bức

xạ bằng nhau thì trong trường hợp này tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi với hệ số

Hệ số tăng ích của anten là một thông số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức

xạ của anten so với hệ số định hướng, vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính

định hướng của anten mà còn biểu thị sự tổn hao trên anten

Chương 3:

LÝ THUYẾT GẤN ĐÚNG VỀ CHẤN TỬ

ĐỐI XỨNG

3.1 Phân bố dòng trên 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

Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn có hình dạng tùy ý (hình trụ, hình chóp, elíp …), có kích thước giống nhau đặt thẳng hàng trong không gian, và ở giữa được nối với nguồn dao động cao tần ( hình 3.1)

Hình 3.1: Ví dụ về chấn tử đối xứng Một trong những vần 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 cần xác định hàm phân bố dòng trên anten

Đối với anten chấn tử, đây là bài toán phức tạp Người ta đã đưa ra nhiều phương pháp, nhưng trong tập đồ án này chỉ trình bày phương pháp gần đúng để xác định phân bố dòng trên chấn tử

Giả sử chấn tử có dạng như hình 3.1a, với bán kính a rất nhỏ ( chấn tử làm

bằng dây dẫn hình trụ rất mảnh) Phương pháp này 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

Từ đường dây song hành (hình 3.2a) có thể biến dạng để nhận được chấn tử đối xứng (hình 3.2b) bằng cách mở rộng đầu cuối đường dây đến khi góc mở giữa hai nhánh bằng 180o 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 đã nói ở chương 2

Hình 3.2: Biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng

Giả sử khi biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng thì quy luật phân bố dòng điện trên hai nhánh vẫn không đổi, nghĩa là vẫn có dạng sóng đứng

 Đường dây song hành thực chất là hệ thống dùng để truyền dẫn năng lượng chứ không phải là hệ thống bức xạ, còn chấn tử là hệ thống bức xạ

 Trong đường dây song hành hở mạch đầu cuối, dòng điện chỉ biến đổi theo quy luật sóng đứng thuần túy dạng sin khi đường dây song hành làm

từ vật dẫn lý tưởng không tổn hao; còn đối với chấn tử, ngay cả khi được cấu tạo từ vật dẫn lý tưởng cũng luôn luôn có mất mát năng lượng do bức

xạ ( mất mát hữu ích) Do đó, nói một cách chính xác thì phân bố dòng điện trên chấn tử không tuân theo quy luật sóng đứng thuần tuý dạng sin

Tuy nhiên, đối với các chấn tử rất mảnh, ( đường kính 2a << 0.01λ) khi

tính trường ở khu xa dựa theo giả thiết phân bố dòng điện hình sin cũng nhận được kết quả khá phù hợp với thực nghiệm Vì vậy, trong phần lớn các tính toán kỹ thuật có thể cho phép áp dụng giả thiết gần đúng về phân

bố dòng điện sóng đứng hình sin

Hình 3.3: Chấn tử đối xứng trong hệ tọa độ cầu

Với giả thiết trên, trường bức xạ của chấn tử được xác định theo công thức:

ikr b

r E

r H

I o - dòng điện đầu vào chấn tử ( tại z=0), I o I bsinkl

Biết quy luật phân bố của dòng điện trên chấn tử, ta sẽ xác định được quy

luật phân bố gần đúng của điện tích bằng cách áp dụng phương trình bảo toàn điện

tích Giả thiết dòng trên chấn tử chỉ có thành phần dọc trục z, điện tích nằm trên bề

mặt dây và có mật độ dài Q z Phương trình bảo toàn điện tích được viết:

Q z - điện tích mặt trên một đơn vị chiều dài chấn tử

Giải phương trình (3.2) theo Q z, kết hợp (3.1) ta có:

Hình 3.4: Phân bố dòng trên chấn tử đối xứng

Từ hình 3.4 ta thấy quy luật phân bố điện tích dọc theo chấn tử đối xứng cũng có dạng tương tự như quy luật phân bố của hiệu điện thế trên đường dây song hành hở mạch đầu cuối, không tổn hao:

 Tại các điểm đầu cuối chấn tử luôn luôn là nút dòng bụng áp

 Tại các vị trí cách đầu cuối một đoạn bằng

4



có giá trị bụng dòng nút áp

 Pha của dòng thay đổi 1800 qua điểm nút

 Tại điểm nuôi có thể có những giá trị dòng khác nhau, nó phụ thuộc vào

Đối với chấn tử có 2l > λ, Kessenhic đã giải bài toán truyền sóng dọc dây dẫn

hình trụ dài vô hạn bằng phương pháp điện động chặt chẽ Ông đã xem trở của chấn tử như là trở vào thực ở đầu các dây dẫn có sóng chạy Kết quả tính toán

3.3 Trở kháng vào của chấn tử đối xứng

Khi mắc chấn tử vào máy phát cao tần, chấn tử sẽ trở thành tải của máy phát Trị số tải này được đặc trưng bởi một đại lượng gọi là trở kháng vào của chấn tử Trong trường hợp tổng quát, trở kháng vào là một đại lượng phức

Trở kháng vào là một trong những thông số quan trọng, nó có quan hệ rất mật thiết đến chế độ làm việc của thiết bị nối với anten

Theo định nghĩa thì trở kháng vào của chấn tử đối xứng bằng tỷ số điện áp

vào của chấn tử U v và dòng điện đầu vào I v

Ta coi chấn tử như một đường dây song hành có tổn hao mà điện trở bức xạ của chấn tử được biểu thị thành điện trở tổn hao phân bố trên dây song hành Do vậy,

ta có thể sử dụng công thức xác định trở vào của đường dây song hành có tổn hao,

hở mạch đầu cuối với chú ý thay hệ số suy giảm (hệ số tắt dần) bằng biểu thức:

sin 212

bx A

R kl l

Trong đó R bxb – trở bức xạ ứng với dòng điện ở điểm bụng

Trên hình 3.5 mô tả R v và R x phụ thuộc vào tỷ số l



Hình 3.5: Sự phụ thuộc của R v và R x vào l



3.5 Hệ số tác dụng định hướng của chấn tử đối xứng

P I R Với chấn tử có độ dài 2l  ≤ 1,25, bức xạ cực đại của anten

vẫn được duy trì ở hướng

Hình 3.6: Sự biến thiên của hệ số định hướng D với độ dài chấn

Từ hình vẽ ta thấy khi độ dài chấn tử còn

nhỏ thì tăng độ dài sẽ dẫn đến tăng hệ số định

hướng Với 2l  =0,5 ta có D max = 1,64 Khi

2l

 = 1 (chấn tử toàn sóng), D max = 2,41; còn

khi tăng 2l   1,25 thì hệ số định hướng

tăng đến 3,36 Nếu tiếp tục tăng độ dài chấn

tử ( 2l  > 1,25), hệ số định hướng sẽ giảm

đi Điều này được giải thích do có sự biến đổi

dạng của đồ thị phương hướng (tăng cực đại

phụ, giảm cực đại chính) khi kéo dài chấn tử

Chương 4:

LÝ THUYẾT ANTEN THU

4.1 Chấn tử đối xứng làm việc ở chế độ thu

Giả sử chấn tử có độ dài 2l , bán kính a << λ được đặt trong trường của

một sóng tới theo góc  đối với trục chấn tử, có vectơ điện trường E nằm trong mặt phẳng tới (hình 4.1)

Hình 4.1: Chấn tử đối xứng trong trường sóng tới Hình chiếu của vectơ điện trường lên trục chấn tử sẽ là:

Ez  E i z (4.1)

iz - vectơ đơn vị theo hướng trục z

Thành phần điện trường tiếp tuyến với mặt chấn tử tại điểm bất kỳ có toạ độ

Trong đó E o– biên độ của sóng tới

E tt E osin - biên độ thành phần tiếp tuyến

Bài toán đặt ra là cần phải xác định sức điện động cảm ứng và dòng trên

anten thu Ta áp dụng nguyên lý tương hỗ để giải bài toán này

Nội dung nguyên lý như sau:

Giả sử có một mạng bốn cực (hình 4.2) nếu đặt ở đầu vào 1-1 một sức điện

động e 1 thì đầu 2 có dòng i 2 Ngược lại nếu đặt ở đầu vào 2-2 một sức điên động e 2

Sức điện động này gây ra ở đầu vào chấn tử một dòng I 0 Ngược lại tác động

vào đầu vào một sức điện động de 0 thì trên phần tử dz sẽ có dòng I z Theo (4.3) ta

có:

z o

de de