Đồ án thiết kế và thi công anten yagi

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

MỤC LỤC

Mở Đầu

Tóm Tắt nội du ng

Phần I : Lý Thuyết Anten

Chương 1: Giới Thiệu Sơ Lược Về Anten

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten

1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát

1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện

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 3

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 liệ 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 conngười 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 thutín hiệu Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp rất nhiều các hệthống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTSdùng 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 cáctham 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 cácphần lý thuyết có liên quan Tuy nhiên đây là cơ sở rất quan trọng để có thể tiếptục 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 cácthông số kỹ thuật của anten

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

Phần I:

LÝ THUYẾT ANTEN

-óóó -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 giữamáy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nàonhư: cáp đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang

Trong nhiều ứng dụng, các anten có thể cạnh tranh với các phương tiệntruyền dẫn khác để phát và chuyển tải năng lượng trường điện từ Thông thườngsuy hao trường điện từ trong các vật liệu sẽ tăng nhanh theo tần số Điều này đượchiểu ngầm rằng, khi tần số tăng thì việc dùng các phần dẫn sóng bằng vật liệu sẽkém 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 sốcao

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

• Năm 1886: nhà vật lý người Đức Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận vàthực nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu dùng một mạch dao động hở với lưỡngcực 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 cụnày làm phương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn và có khả năngtruyền các tín hiệu ở khoảng cách 3 dặm

• Năm 1901 : Guglielmo Marconi đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cáchlớn 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 điệnbáo Trong năm 1916, lần đầu tiên sử dụng tín hiệu đã điều chế biên độ đểtruyền 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 thốngthông 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 lạcdùng anten được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Sau đây là sơ đồ hệ thốngthu 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, nóchuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian Khiđến 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 haicon đường Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dâysong hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, v.v… “chuyên chở” sóng điện từ trực tiếptrên đường truyền dưới dạng dòng điện Sóng điện từ lan truyền trong hệ thốngnày thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến)

Cách truyền này tuy có độ chính xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xâydựng hệ thống đường truyền Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phứctạp không thể xây dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này đượcthay thế bằng cách cho sóng điện từ bức xạ ra môi trường tự do Sóng sẽ đượctruyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến nơi thu Vậy cầnphải 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 thuThiết bị

Thiết bị điều chếMáy phát

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyếnđiện 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 giữamáy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau quađường truyền năng lượng điện từ gọi là fide Trong hệ thống này, máy phát cónhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fidetới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổithành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian Cấu tạo của anten sẽ quyết địnhđặc 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 sẽđược 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 nănglượng 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 truyềnthanh, 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 cầukhác nhau.Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạđồng 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 trongmặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặtđất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo cáchướng không cần thiết

Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyếnđiều khiển…thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉtập 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 hướngnhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước

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

Anten của các đài truyền thanh, truyền hình phải phát xạ đều theo mọi phíadọc mặt đất, còn trong radar thông tin cần phải phát xạ trong một hình quạt hẹpnhằm để tập trung năng lượng về phía đài đối Anten cũng phải có tính chất thuđịnh 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 cũng phải tùy yêu cầu cụ thể Chẳng hạn anten phải đặt trênvật thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính ( hướng vectơ điện trường khôngthay đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực trònhay phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động vẽ nên đường trònhay elip)

Ngoài ra, để đảm bảo khả năng thông tin theo kiểu tán xạ từ các miền bấtđồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của anten phảithay 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 trưngphân cực

 Nhóm các tham số: Hệ số tác dụng định hướng, hiệu suất, hệ sốkhuếch 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 sẽphát sinh một điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phátsinh một từ trường biến thiên Những điện trường, từ trường này hầu như khôngbức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch Dòng điện dịchchuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điệnnên năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy Còn nănglượng 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 trongcác dây dẫn và điện môi của mạch.

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện (hình 2.1b) thì dòng điện dịch sẽ khôngchỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽlan 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 trungNếu 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 trongkhoảng 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 tíchtrên 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 tíchtrên hai má tụ điện Do đó giá trị của điện trường ở những điểm nằm trên đườngsức 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 điểmnào đó, điện trường tại M có thể đạt một giá trị nhất định trong lúc điện tích trênhai má tụ điện biến đổi qua lại giá trị 0 Khi ấy các đường sức điện trường sẽkhông còn ràng buộc với các điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong khônggian, nghĩa là đã hình thành một trường xoáy Theo quy luật của điện trường biếnthiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường này sẽ tiếptục 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 ràngbuộc với nguồn sẽ dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc tạo thành sóngđiện 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 đượcnhiều 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 hệthống điện từ nói trên với sự biến dạng hai tấm kim loại của tụ điện thành hai đoạndây dẫn mảnh và hai quả cầu kim loại ở hai đầu Dipole Hertz là một trong cácnguồn bức xạ đơn giản nhất và là phần tử để cấu trúc thành các anten dây phứctạp

2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ

Giả sử sóng điện từ truyền lan trong môi trường không tổn hao Trong chế độdao 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 (ω βt− z).

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

f

dz dt

ωυ

β

Như đã biết vận tốc pha chỉ đặc trưng cho quan hệ pha của các dao động điềuhòa tại các điểm khác nhau của không gian khi các dao động ấy đã được sinh ra vàxác lập ở mọi nơi

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

Aω 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 ω và biên độ 1A( )ω ωd

Vì hệ số pha β =2π λ là hàm số của tần số, nghĩa là β β ω= ( ), nên tích phân

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

Giả sử phổ thực của tín hiệu được giới hạn bởi các tần số ωmin=ω0− ∆ω và

max 0

ω =ω + ∆ω, ngoài ra ∆ <<ω ω0 (ω0 là tần số trung bình của phổ) Khi đó tíchphân trong (2.4) sẽ được lấy trong khoảng ω0− ∆ω ≤ ω ≤ ω0+ ∆ω, còn tíchphân trong (2.5) sẽ được lấy trong khoảng β0− ∆ ≤ ≤β β β0+ ∆β , 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 dãykhai triển (2.7) Khi ấy tích phân (2.6) sẽ trở thành:

0 0

1( , ) Re ( )

( ) ( ) ( )

ω

β là đạo hàm

d d

ω

β tại β β = 0 Tiếp theo ta đưa biến số tích phân mới ξ β β = − 0 , sẽ nhận được:

0 0

1( , ) Re ( )

d

i t z d

d

t z d

d t z d

sin 2

( , ) ( )

d t z 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( ω0t − β0z − ϕ0) 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

tại điểm

0

d

t z d

f nh

f

f

d

d d

d

υω

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

1 th c

υ =υ −  ÷ 

và υ υf nh= υ2

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

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

2.3 Dải tần và dải tần công tác của anten

21.3.1 Dải thông tần

Ngoài các đặc tính bức xạ của anten về năng lượng, khi khảo sát anten còncần lưu ý đến một đặc tính quan trọng nữa là dải thông tần, nghĩa là dải tần số màtrong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức xạ hoặc thu phổ của tínhiệu 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 vôtuyến truyền hình, …) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ, biên độ tươngđối của dòng điện đặt vào anten (trong trường hợp anten là một anten phát) hoặcsức điện động thu được (trong trường hợp anten là một anten thu) sẽ biến đổi, làmthay đổi dạng phổ của tín hiệu Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trởkháng vào của anten theo tần số sẽ dẫn đến tình trạng lệch phối hợp trở kháng vàxuất hiện sóng phản xạ trong fide Khi một tín hiệu có phổ rộng truyền qua fide thìứng với mỗi tần số khác nhau của phổ sẽ có sự trễ pha khác nhau và gây ra méodạng 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 khianten làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì biên độ tương đối của cường độ trườngbức xạ (hoặc thu được), đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gâyméo dạng tín hiệu Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm và trongthực tế, độ rộng dải tần của anten được quyết định chủ yếu bởi đặc tính phụ thuộccủa 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 mộttần số mà nó phải có thể làm việc ở mọi tần số khác nhau Ứng với mỗi tần sốkhác nhau ấy anten phải đảm bảo những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tínhphương hướng, trở kháng vào, dải thông tần, … Dải tần mà trong giới hạn đóanten 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 vớianten 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 đượcnhỏ 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 phốihợp trở kháng Đối với chấn tử đối xứng nằm ngang dùng trong dải sóng ngắn thìyêu cầu đặc tính phương hướng của chấn tử phải có hướng bức xạ cực đại khôngthay đổi khi thay đổi tần số công tác để đảm bảo hướng thông tin cố định, yêu cầutrở kháng vào chỉ biến đổi trong một giới hạn cho phép để có thể mau lẹ chuyểntần 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 sốbao trùm dải sóng

2.4 Hệ phương trình Maxwell

Giả thiết quá trình biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là theo quy luậtsinωt, cosωt, hoặc viết dưới dạng phức ei tω Nếu biểu thị dưới dạng số phức thìvectơ tức thời của cường độ điện trường: E=Re(E e. i tω)=E. cosωt , hoặc

Im( i t) sin

E= Eeω =E ωt , 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 daođộng 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:

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);

(1 )

p i σ

ε ε

ωε

= − - hệ số điện thẩm phức của môi trường;

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

đối với môi trường chân không

ε ε

π

−

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

Đối với chân không o 4 107H

m

(2.15)

σ - điện dẫn suất của môi trường (Si/m);

e

J - biên độ phức của vectơ mật độ dòng điện (A/m 2 );

e

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

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích Nhưng trongmột 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 Kháiniệm dòng từ và từ tích chỉ có tính chất tượng trưng vì chúng không tồn tại trongthiên nhiên

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

(2.16)

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 lýtưởng phải thõa mãn các điều kiện bờ sau:

0; 0; m

H = E = J = − ×n E (2.19)

m s

ωε ωµ ρ ε ρ µ

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

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 tínhtheo công thức:

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 thịphương hướng người ta còn sử dụng một vài thông số khác cho phép dễ dàng sosánh các loại anten với nhau: hệ số định hướng và hệ số tăng ích Khi ấy hướngtính 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

E S

r

π

Với E(θ ϕ1, 1) - biên độ cường độ bức xạ ở hướng (θ ϕ1, 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.

Thay vào ta có:

1, 1 2,

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

phương hướng chuẩn hóa và giá trị cường độ trường ở hướng bức xạ cực đại nhưbiểu thức sau:

P =∫S θ ϕ ds

Trong đó ( ) ( )

2

, ,

2

E S

Hàm phương hướng chuẩn hóa có giá trị bằng 1 ở hướng cực đại nên ta xácđịnh 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 côngsuất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của antenchuẩn (thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giảthiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn có hiệu suất bằng 1.Hiệu suất của anten (ηA) cũng là một trong số các thông số đặc trưng chomức 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⇒ηA < 1, còn anten lý tưởng (không tổn

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 tínhđịnh 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 phổbiến 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 đểkết 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 trongkhông 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 khángvào 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 nhiềuphương pháp, nhưng trong tập đồ án này chỉ trình bày phương pháp gần đúng đểxác 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 tổnhao, 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 tửđối xứng (hình 3.2b) bằng cách mở rộng đầu cuối đường dây đến khi góc mở giữahai nhánh bằng 180o Việc mở rộng này sẽ làm mất tính đối xứng của đường dâysong hành và tạo điều kiện để hệ thống có thể bức xạ sóng điện từ như đã nói ởchương 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 quyluật phân bố dòng điện trên hai nhánh vẫn không đổi, nghĩa là vẫn có dạng sóngđứng

( ) sin[ ( )]

 Đường dây song hành thực chất là hệ thống dùng để truyền dẫn nănglượng 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 đổitheo 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 đượccấu 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 dòngđiện 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 cũngnhận được kết quả khá phù hợp với thực nghiệm Vì vậy, trong phần lớncác 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 cầuVới giả thiết trên, trường bức xạ của chấn tử được xác định theo công thức:

ikr b

r E

r H

I - 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 quyluật 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:

)

(cos

Từ hình 3.4 ta thấy quy luật phân bố điện tích dọc theo chấn tử đối xứngcũng có dạng tương tự như quy luật phân bố của hiệu điện thế trên đường dâysong 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

λ

có giá trị bụng dòngnút 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

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 củachấn tử như là trở vào thực ở đầu các dây dẫn có sóng chạy Kết quả tính toánđược:

120 ln

a

λρ

π

Trong đó E = 0,577 là hằng số Ơler.

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 mậtthiết 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 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

kl

βρ

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

λ

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

thường dùng chấn tử nửa sóng và cũng tại giá trị l 0, 25

Hình 3.6: Sự biến thiên của hệ số định

hướng D với độ dài chấn

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

Như đã xét ở chương một ta có: ( ) ( )

1, 1 2,

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

vẫn được duy trì ở hướng

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 2lλ=0,5 ta có D max = 1,64 Khi

2l

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

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

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

tử ( 2lλ > 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 θđối với trục chấn tử, có vectơ điện trường E nằm trongmặt phẳng tới (hình 4.1)

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

Ez = E i z (4.1)

z

i - 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 osinθ - biên độ thành phần tiếp tuyến

Bài toán đặt ra là cần phải xác định sức điện động cảm ứng và dòng trênanten 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 thì đầu 1 sẽ có dòng i 1