Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn có hình dạng tuỳ ý( hình trụ, hình chóp, elipsoit…) có kích thước giống nhau
ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN LỜI MỞ ĐẦU 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. Các thiết bị thu phát và chuyển tiếp sóng điện từ gọi chung là anten. Tuỳ theo điều kiện công tác, mục đích sử dụng cũng như kết cấu của các hệ thống viễn 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 các băng tần ở dải sóng dài, sóng trung dần dần bị thay thế bởi các băng tần ở dải sóng ngắn và cực ngắn. Với lợi thế là khả năng bức xạ tốt ở các dải sóng này cùng 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 trong hầu hết các thiết bị vô tuyến điện. Trong phạm vi đề tài này, chúng em đã nghiên cứu đặc tính phương hướng của chấn tử đối xứng nhằm tìm ra được giá trị giới hạn độ dài chấn tử sao cho hướng tính của nó còn đạt cực đại ở hướng 0 90 θ = ± .Đây là một trong những hướng 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 NHÓM SV LỚP ĐTV47DH. KHOA ĐIỆN-ĐTTB 1 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN 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 hướng dẫn chúng em trong quá trình nghiên cứu, đồng thời, chúng em cũng xin chân thành cảm ơn Ths Phạm Việt Hưng đã đóng góp những ý kiến quý báu 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 những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn sinh viên quan tâm đến vấn đề này để xây dựng nên 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 tuỳ ý( hình trụ, hình chóp, elipsoit…) có kích thước giống nhau, đặt thẳng hàng trong 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 như mong 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 NHÓM SV LỚP ĐTV47DH. KHOA ĐIỆN-ĐTTB 2 TI NCKH MễN ANTEN Tr khỏng vo: l i lng c trng cho tr s ca chn t úng vai trũ l ti khi nú c mc vo mỏy phỏt cao tn. H s nh hng v h s tng ớch: l cỏc thụng s ỏnh giỏ hng tớnh ca mi anten bng cỏch so sỏnh anten y vi anten chun m c tớnh ca nú ó bit trc Hai thụng s ny th hin y c c tớnh phng hng v s tn hao cụng sut trờn chn t. di hiu dng: di hiu dng: l di ca mt anten dõy gi nh cú dũng in phõn b ng u vi biờn bng biờn dũng in ti im cp in ca anten kho sỏt,khi tho món iu kin bng nhau v cng trng hng bc x cc i. kl 1 os 2 kl sin 2 H c L l p ổ ử ữ ỗ - ữ ỗ ữ ỗ ố ứ = ổ ử ữ ỗ ữ ỗ ữ ỗ ố ứ Ngoi ra mt vn quan trng na khụng th khụng nhc n khi nghiờn cu v chn t i xng l phi xỏc nh trng bc x to bi h thng dũng in v dũng t cú cng ph thuc vo hng kho sỏt.Ta gi hm s c trng cho s ph thuc ca cng bc x theo hng kho sỏt ng vi bỏn kớnh ca im kho sỏt khụng i l hm phng hng ca h thng bc x, v c kớ hiu l f ( ) , . Chỳng ta s cựng tỡm hiu s ph thuc ca c tớnh phng hng vo thụng s di ca anten chn t i xng. II. Mễ HèNH TON NHểM SV LP TV47DH. KHOA IN-TTB 3 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN 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, θ , ϕ ). Khi khảo sát trường vùng xa ta luôn có R λ ? . Hình 1: Biểu diễn chấn tử đối xứng trong tọa độ cầu Theo quy ước như ở hình vẽ trên, góc ϕ được xác định bởi hình chiếu của R ur trên mặt phẳng x0y và 0x uur , còn góc θ được xác định bởi góc giữa R ur và 0z uur , tức là mặt phẳng x0y có 0 90 θ = ± . Từ hình vẽ ta thấy rằng: • Hàm phương hướng của anten chấn tử đẳng hướng với mặt phẳng vuông góc với trục của chấn tử (mặt phẳng φ). • Hàm phương hướng bức xạ bằng không tại θ=0 0 hoăc θ=180 0 . • Đặc tính hướng chỉ xác định trong mặt phẳng chứa trục của chấn tử và phụ thuộc vào chiều dài l. NHÓM SV LỚP ĐTV47DH. KHOA ĐIỆN-ĐTTB 4 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN Vậy ta có hàm phương hướng của anten chấn tử được xác định bởi : kl kl os( cos )-cos 2 2 ( , ) sin c f θ θ ϕ θ = . Hay biểu diễn dưới dạng hàm chuẩn hoá: ( ) ( ) kl kl cos( cos )-cos , 2 2 ( , ) kl max( , ) sin (1 cos ) 2 f F f θ θ ϕ θ ϕ θ ϕ θ = = − . Khi nghiên cứu về anten chấn tử người ta thường sử dụng độ dài tương đối so với bước sóng. Ký hiệu: l λ λ : là bước sóng. 2 k π λ = : là trở kháng sóng. Xét trong một số trường hợp: 0 l λ ≈ : dipol điện 0 3 90 θ = 0.5 l λ = : chấn tử nửa sóng 0 3 80 θ = 1 l λ = : chấn tử toàn sóng 0 3 44 θ = 1.25 l λ = : trường hợp giới hạn 0 3 31 θ = Khi đó đồ thị phương hướng của anten chấn tử đối xứng có dạng như hình vẽ dưới đây: NHÓM SV LỚP ĐTV47DH. KHOA ĐIỆN-ĐTTB 5 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN a: l/λ ≈ 0 (Trường hợp dipol điện). b: l/λ=0.5 NHÓM SV LỚP ĐTV47DH. KHOA ĐIỆN-ĐTTB 6 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN c: l/λ=1 d: l/λ=1.25 NHÓM SV LỚP ĐTV47DH. KHOA ĐIỆN-ĐTTB 7 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN e: l/λ=1.5 f: l/λ=2 Hình 2: Đặc tính phương hướng của anten chấn tử đối xứng NHÓM SV LỚP ĐTV47DH. KHOA ĐIỆN-ĐTTB 8 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN 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 đồ thị phương hướng của dipol điên (hình 2.b), chỉ khác là nó có độ rộng hẹp hơn (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 của trường tạo bởi các dipol thành phần (anten là tập hợp của các dipole). Khi độ dài l/λ rất nhỏ, dòng điện ở mọi điểm trên anten đồng pha nhau. Đồng thời vì có thể coi khoảng cách từ các dipol đến các điểm khảo sát bằng nhau nên trường bức xạ của các dipol riêng rẽ sẽ đồng pha và được cộng đại số với nhau. Biên độ trường bức xạ của dây dẫn ở các điểm trong không gian đều tăng lên một số lần giống nhau so với cường độ trường bức xạ của một dipol điện riêng rẽ. Vì vậy mà đồ thị phương hướng của anten 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 các dipol thành phần. • Khi tăng dần độ dài anten (trong giới hạn vẫn đảm bảo đồng pha dòng điện trên anten, nghĩa là l/λ ≤ 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 với việc 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 độ trường của các dipole điện riêng rẽ, vì theo hướng này không có sai pha khoảng cách. Bức xạ được tăng cường theo hướng θ = ±90º. Khi dịch chuyển 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 hơn trường ở hướng θ = ±90º. Tổng vecto sẽ giảm nhanh nếu điểm khảo sát càng dịch chuyển xa hướng θ = ±90º. NHÓM SV LỚP ĐTV47DH. KHOA ĐIỆN-ĐTTB 9 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN • Khi tăng độ dài anten qúa giới hạn một bước sóng (l>λ) sẽ xuất hiện khu vực dòng điện ngược pha.Đồ thị phương hướng có xu thế hẹp lại nhưng đồng thời sẽ xuất hiện các cực đại phụ (hình 2.d, 2.e). Sự xuất hiện các cực 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 của các dipol thuộc khu vực dòng điện mang dấu dương, vì theo hướng này không có sai pha khoảng cách nhưng sai pha dòng điện bằng π . Nếu dịch chuyển điểm khảo sát khỏi hướng θ = ±90º thì sẽ xuất hiện góc sai pha khoảng cách của trường tạo bởi các dipol thuộc hai khu vực nói trên.Ta có thể tìm được hướng θ mà theo hướng đó sai pha khoảng cách của trường tạo bởi hai khu vực dòng điện sẽ bằng π . Tổng sai pha của trường sẽ bằng 2 π , nghĩa là trường bức xạ tạo bởi các dipol thuộc hai khu vực dòng điện ngược pha sẽ trở nên đồng pha nhau, và ở hướng đó sẽ xuất hiện cực đại phụ. • Tiếp tục tăng độ dài dây dẫn thì cường độ trường theo hướng θ = ±90º sẽ giảm (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 λ =2 trường bức xạ theo hướng θ = ±90º sẽ hoàn toàn bị triệt tiêu, còn các 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 λ 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 ở góc 0 90 θ = ± tức là hàm phương hướng đạt cực đại ở 0 90 θ = ± , và giá trị θ 3 càng nhỏ, búp sóng chính càng hẹp (hình 2.a, 2.b, 2.c và 2.d). NHÓM SV LỚP ĐTV47DH. KHOA ĐIỆN-ĐTTB 10 [...]... ghép anten chấn tử với nhau sẽ cho hiệu quả cao nhất khi ta biết được hướng tính của mỗi anten, ta sẽ tạo ra một hệ thống thu phát sóng điện 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 Đáp ứng nhu cầu truyền thông tin vô tuyến. .. mặt đất là mặt dẫn điện thì hệ thống gồm anten không đối xứng và ảnh của nó được xem là một chấn tử đối xứng sẽ cho bức xạ cực đại ở hướng θ = ±900 , tức là bức xạ cực đại trong mặt phẳng nằm ngang, phù hợp với các ứng dụng lan truyền sóng đất ở các dải sóng dài và sóng trung • Từ những nhận xét trên ta nhận thấy rõ ràng là tồn tại một giá trị giới hạn của thông số l l l , ta gọi là ( )gh mà khi còn...ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN • Khi giá trị l l khá lớn ( =1.5 hình 2.e) hàm phương hướng không còn đạt cực λ λ đại ở gócθ = ±900 • Khi l =2 ( hình 2.f) thì cực đại chính theo hướng θ = ±900 còn bị triệt tiêu hoàn λ toàn • Thực tế khi nghiên cứu chấn tử đối xứng thì hướng θ = ±900 có ý nghĩa rất quan trọng, nó quyết định đến hiệu quả của quá trình thu và phát anten, chẳng hạn một anten không đối xứng... còn đạt cực đại theo hướng θ = ±900 nữa Ta có thể thấy rõ được điều này qua các hình vẽ sau: a: NHÓM SV LỚP ĐTV47DH KHOA ĐIỆN-ĐTTB l =1.43 λ 19 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN b: l =1.44 λ c: l =1.45 λ NHÓM SV LỚP ĐTV47DH KHOA ĐIỆN-ĐTTB 20 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN 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 • Khi l =1.43... ĐIỆN-ĐTTB 21 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN • Việc giải quyết hai bài toán này đã trả lời cho những câu hỏi giá trị ( l )gh là bao λ l nhiêu? quy luật biến đổi của θ 3= f ÷ như thế nào? Mà từ trước tới nay nó chỉ λ là những nhận xét khái quát • Như vậy với việc tìm ra giá trị tới hạn ( l )gh để đặc tính hướng của chấn tử vẫn λ đạt cực đại ở góc θ= ±90º thì việc thiết kế ra các anten chấn tử có khả năng bức... ĐIỆN-ĐTTB 14 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN while a>0.071 teta= teta-0.01 tetar= teta*pi/180 tuso= cos(pi*L.*cos(tetar))- cos(pi*L) mauso= sin(tetar) f= tuso./mauso a=abs(f./f90) end dodai(i)= L goc(i)= 2*(90-teta) end 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: NHÓM SV LỚP ĐTV47DH KHOA ĐIỆN-ĐTTB 15 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN Hình 3: Sự phụ thuộc... nhất sóng điện từ Đáp ứng 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/~ orfanidi/ ewa, 2004 NHÓM SV LỚP ĐTV47DH KHOA ĐIỆN-ĐTTB 22 ... cần nghiên cứu có sự nhảy bậc (chuyển từ còn đạt cực đại sang không đạt cực đại thậm chí còn bị triệt tiêu hoàn toàn) Vậy giá trị cụ thể này sẽ là NHÓM SV LỚP ĐTV47DH KHOA ĐIỆN-ĐTTB 11 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN bao nhiêu? Câu hỏi này vẫn chưa có câu trả lời chính xác! Mà ta chỉ biết được l rằng chỉ tồn tại một giá trị ( )gh trong khoảng từ 1.25 đến 1.5 λ • Mặt khác thì theo hình vẽ ta cũng thấy rằng trong... 89.08 88.80 88.48 88.12 NHÓM SV LỚP ĐTV47DH KHOA ĐIỆN-ĐTTB Độ dài (l/λ) 0.37 0.40 0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.56 Góc θ3 (độ) 83.48 82.38 80.78 79.92 79.02 78.08 77.12 76.12 75.10 16 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.74 0.76 0.78 0.80 0.82 0.84 0.88 0.90 0.92 0.91 0.92 0.94 0.98 1.00 1.04 1.08 87.28 86.80 86.28 85.74 85.14 84.50 83.84 64.64 63.38 62.12 60.84 59.54 58.24 55.64... 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=’); f90= 1-cos(pi.*L); NHÓM SV LỚP ĐTV47DH KHOA ĐIỆN-ĐTTB 17 ĐỀ TÀI NCKH MÔN ANTEN a=1; teta=90; while a> 0.7071 teta= teta-0.01; tetar=teta*pi/180; tuso= cos(pi*L.*cos(tetar))- cos(pi*L); mauso=sin(tetar); f=tuso./mauso a= abs(f./f90); end disp('goc teta 3 can tim la=');disp(2.*(90-teta)); . ca mt anten dõy gi nh cú d ng in ph n b ng u vi bi n bng bi n d ng in ti im cp in ca anten kho sỏt,khi tho m n iu kin bng nhau v cng trng hng bc x cc. s ng trung d n d n b thay th b i các b ng t n ở dải s ng ng n v cực ng n. V i lợi th là khả n ng b c xạ tốt ở các dải s ng n y c ng v i kết cấu tương