Giáo Trình Kỹ Thuật Anten

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU §1.1 LỊCH SỬ * Thơng tin điện : - Telegraphy (1884) - Telephony (1878) * Nền tảng lý thuyết : LT trường điện từ Maxwell (1854) * Hệ thống Telegraphy không dây dùng xạ điện từ (Marconi – 1897) * Đèn điện tử phát dao động (1904 – 1915) CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Mạng nội hạt Thành phố đông dân cư Anten phát – anten thu Hệ thống yêu cầu phổ TH hẹp (truyền thanh) Dùng xạ điện từ Suy hao phụ thuộc khoảng cách theo quy luật lũy thừa Dây đôi → suy hao 2÷3 dB(10 kHz/km) → Truyền liệu tần số thấp Cáp đồng trục → Tín hiệu Video Tổn hao ÷ dB, quy luật hàm mũ Cự ly thông tin lớn → Thông tin di động (tàu bờ) Các phương tiện giao thông đường bộ, máy bay… Khoảng cách thông tin hạn chế - Thông tin vệ tinh - Kinh tế - Bảo mật * Nhược điểm : Hiệu suất thấp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt §1.2 CÁC HỆ THỐNG ANTEN + Anten thông dụng : - Anten râu ôtô - Anten tai thỏ tivi - Anten vòng cho UHF - Anten Log-chu kỳ cho TV - Anten Parabol thu sóng vệ tinh + Trạm tiếp sóng vi ba (Microwave Relay) - Anten mặt - Anten Parabol bọc nhựa + Hệ thống thông tin vệ tinh : - Hệ anten loa đặt vệ tinh - Anten chảo thu sóng vệ tinh - Mảng loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz) + Anten phục vụ nghiên cứu khoa học QUY ƯỚC VỀ CÁC DẢI TẦN SỐ Dải tần số – 30 kHz 30 – 300kHz Tên, ký hiệu Very low freq (VLF) Low freq (LF) Ứng dụng Đạo hàng, định vị Pha vô tuyến cho mục đích đạo hàng 300 – Medium freq (MF) Phát AM, hàng hải, trạm 3000kHz thông tin duyên hải, dẫn tìm kiếm – 30 MHz High Freq (HF) Điện thoại, điện báo, phát sóng ngắn, hàng hải, hàng không 30 – 300MHz Very High Freq (VHF) TV, phát FM, điều khiển giao thông, cảnh sát, taxi, đạo hàng 0,3 – GHz Ultrahigh (UHF) TV, thông tin vệ tinh, thám, Radar giám sát, đạo hàng – 30 GHz Superhigh freq (SHF) Hàng không, Viba (microwave links), thông tin di động, thông tin vệ tinh 30 – 300GHz Extremly high freq Radar, nghiên cứu khoa học (EHF) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt §1.3 KHÁI QUÁT VỀ TRUYỀN SÓNG ĐIỆN TỪ + Dải phát AM chuẩn (0,55 – 1,6 MHz): Dùng tháp anten + Dải sóng dài : - Anten đơn giản với độ lợi thấp, đặt mặt đất - Mode truyền: sóng mặt, suy hao ~ R-4 - Mức nhiễu cao nhiễu công nghiệp - Cần máy phát công suất lớn (50-500kW) - Mức nhiễu suy hao cao - Cự ly thông tin cỡ vài trăm dặm - Suy hao tăng nhanh theo tần số (không sử dụng cho TS>20MHz) - Chiều cao anten cần lựa chọn thích hợp - Có thể có tượng Fading thời gian hàng giây, phút, chịu ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm khơng khí Ỉ khắc phục FadingỈ phân tập theo khơng gian tần số + Dải sóng 30 – 40 MHz : - Có thể sử dụng phản xạ từ tầng điện ly - Cự ly thông tin hàng ngàn km Ỉ dịch vụ truyền thơng quốc tế - Sự phản xạ phụ thuộc mật độ điện tử tạo xạ mặt trời - Không sử dụng 40MHz (do xuyên qua fading) +Trên 40MHz - Truyền thẳng (TV, Viba) - Kích thước anten phải lớn gấp số lần bước sóng - Ở dải sóng Viba ( – 30cm) dùng anten gương có độ lợi cao (40-50dB), cơng suất máy phát giảm, nhiễu khí giảm, dùng tín hiệu biên độ nhỏ + Dải sóng mm : - Suy giảm sóng khí mưa tăng - Cự ly thông tin bị giới hạn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT AN TEN, CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN §2.1 MỞ ĐẦU Một số qui ước ký hiệu: chữ nét đậmỈvector, chữ nghiêngỈthơng số + Định nghĩa anten: cấu trúc làm từ vật liệu dẫn điện tốt, thiết kế để có hình dạng kích thước cho xạ sóng điện từ theo kiểu định cách hiệu + Nguyên lý hoạt động: dòng điện thay đổi theo thời gian bề mặt anten → xạ sóng điện từ Ỉ Anten cấu trúc mà dòng thay đổi theo thời gian, cấp từ nguồn thích hợp qua đường truyền ống dẫn sóng, bị kích thích với biên độ lớn bề mặt anten + Yêu cầu cấu trúc anten: đơn giản, kinh tế (ví dụ : anten nửa sóng) + Bài tốn lý thuyết kỹ thuật anten: xác định phân bố mật độ dòng điện J bề mặt anten cho trường xạ thỏa mãn điều kiện biên anten Bài tốn thường giải gần + Phân bố dòng anten xác định xác xác định đặc trưng trở kháng anten + Từ đặc tính tuyến tính hệ phơng trình Maxwell, ngun tắc xác định phân bố trường tổng biết phân bố trường phân tử dòng + Các phương trình Maxwell, vector vơ hướng cơng cụ tốn học chủ yếu để giải toán anten + Các đặc trưng anten: - Kiểu xạ (hàm phương hướng) - Độ rộng tia, hệ số định hướng, điện trở xạ + Các phần tử xạ bản: Phần tử dòng điện nguyên tố, vòng điện nguyên tố, dòng từ nguyên tố, vòng từ nguyên tố CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN §2.2 2.2.1 HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL + Đối tượng chủ yếu thuyết kỹ thuật anten khảo sát xạ thu trường điều hòa ~ejwt + Dòng điện trường biểu diễn dạng vector mà thành phần chúng số phức Khi đó, trường thực có dạng: ε ( r , t ) = Re E ( r )e jω t (2.1) + Các phương trình Maxwell: (2.2.a Ỉe) ∇ × E = − jω B (2.2a) ∇ × H = jω D + J (2.2b) ∇ ⋅D = ρ (2.2c) ∇ ⋅B = (2.2d) ∇ ⋅ J = − j ωρ (2.2e) + Trong chân không : + D = ε E , (2.3a); B = µ0 H , −9 µ = 4π 10 −7 ( Henry / met) ε = 10 36π ( Fara / met); (2.3a); + Trong mơi trường có số điện mơi ε độ dẫn điện σ: dòng dẫn J c = σ E ⎛ σ ⎞ (2.2b) => ∇ × H = ( jωε + σ )E + J = jω⎜⎜ ε + ⎟⎟ E + J jω ⎠ ⎝ 2.2.2 CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN BIÊN CỦA MỘT VẬT DẪN LÝ TƯỞNG (σ = ∞): (2.5) Bên vật dẫn: E , H = Trên bề mặt: n x E = 0, n H = Mật độ dòng điện mặt: J s = n x H Mật độ điện tích mặt: ρ s = n.D BIÊN CỦA MỘT VẬT DẪN KHÔNG LÝ TƯỞNG: Trường điện từ xuyên qua bề mặt với biện độ giảm theo hàm mũ: e-z/δ (δ = (2/ωµoσ) với đồng σ = 5.8 × 10 S / m , δ = 6.6x10-3cm tần số 1MHz, 2.1x10-4cm 1GHz (2.7) -3 Ví dụ: với đồng, σ = 5.8x10 S/m, δ = 6.6x10 cm tần số 1MHz, 1/2 2.1x10-4 cm tần số 1GHz Trong đa số trường hợp thực tế coi trường điện từ không xuyên qua vật dẫn tốt kim loại Tuy nhiên, tính đến điện trở vật dẫn kim loại CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt cần tính tới tổn hao Joule theo định luật Ohm (tổn hao đường truyền, ống dẫn sóng…) TÍNH TỔN HAO: Từ trường H tạo dòng mặt J s = n × H ( định luật Ampere) Thành phần tiếp tuyến điện trường liên quan với mật độ dòng điện mặt: n × E = Z s n × J s (ĐL Ohm) (2.8) Trong Zs trở kháng bề mặt vật dẫn: Z s = (1 + j )σδ (Ohm/dt) (2.9) s Bao gồm thành phần trở 1/σδs (điện trở lớp da có chiều sâu δs) thành phần cảm ứng xuyên qua từ trường Tổn hao đơn vị diện tích cho phần thực vector Poynting hướng vào vật dẫn bề mặt vật dẫn: Js P=2 (2.10) σδ s - Nếu σ = vơ cùng, chiều sâu lớp da, trở kháng bề mặt tổn hao = - Thường người ta so sánh trở kháng bề mặt với trở kháng khơng gian tự do: µ Z = ⎛⎜ ⎞⎟ ⎝ ε0 ⎠ (2.11) = 377Ohm - Với Cu, 1MHz, Zs = 2.6x10-4(1+j) Ohm - Kết áp dụng cho vật dẫn tốt khác cho bề mặt có bán kính cong lớn nhiều so với độ sâu lớp da BIÊN GIỮA HAI ĐIỆN MƠI: n × E1 = n × E , n × H1 = n × H , n × D1 = n × D2 2.2.3 THẾ VECTOR VÀ THẾ VÔ HƯỚNG (2.12) Từ (2.2a), (2.2b) (2.3) => ∇ × ∇ × E = k 02 E − jωµ J , 1/ Với k = ω (µ 0ε ) số sóng khơng gian tự - Theo phương trình điện trường tìm trực tiếp biết phân bố dòng Trong thực tế đơn giản hóa tốn nhờ vectơ A vô hướng Φ : Mặt khác vectơ với zero curl biểu diễn dạng gradient hàm vơ hướng Do đặt : B = ∇× A (2.13) - Vì ∇ × ∇ × A = nên A gọi vector - Sử dụng công thức giải tích vector => ∇ A + k 02 A = − µ J + ∇ ∇ A + jωµ 0ε Φ (2.14) ( - Để đơn giản ta chọn : - Khi (2.14) trở thành : ì A = jà Φ ) (Điều kiện Lorentz) ∇ A + k02 A = − µ J (2.15) (2.16) - Thay phương trình (2.14) (2.15) vào (2.2c) => (2.17) ∇ Φ + k 02 Φ = − ρ / ε CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Sử dụng điều kiện Lorentz (2.14) => E = − jω A + ∇∇ A / jωµ ε (2.18) - Trường hợp nguồn dòng : J = J z a z J = J z a z (∇ + k 02 )Az = − µ J z (2.19) § 2.3 BỨC XẠ CỦA PHẦN TỬ DỊNG ĐIỆN - Định nghĩa phần tử dòng điện: I dl thẳng, mỏng, ngắn Giả thiết liệu // (z) - Thế vector có thành phần theo phương (z) tuân theo PT (2.19) Jz=I/dS, với dS tiết diện phần tử dòng Thể tích dV E = − jω A + ) ∇∇.A = Er ar + Eθ aθ jωµ0ε (2.28) - Nếu r lớn so với bước sóng : (vùng xa) bỏ qua số 1 , r2 r3 e − jk0r aθ E = jZ Idlk0 sinθ 4πr e − jk0r H = jIdlk0 sin θ aϕ 4πr (2.29a) (2.29b) * Nhận xét: - Vậy khu xa, trường xạ có thành phần ngang, điện trường từ trưòng vng góc với nhauvà vng góc với phương truyền sóng tỷ số biên độ chúng trở kháng sóng khơng gian tự Z0; Z = ⎛⎜ µ ε ⎞⎟ 0⎠ ⎝ - Dạng vector: Trong đó: E = −Z0 ar × H (2.30a) H = Y0 a r × E (2.30b) Y0 = Z - Trường tính đối xứng cầu ( E Z H phụ thuộc sinθ ) * Vector Poynting phức: ar E × H * = I I * Z (dl ) k 02 sin θ (2.31b) 32π r CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Có dạng thực, (trường xạ) có hướng trùng với hướng lan truuyền, công suất xạ giảm tỷ lệ nghịch với r2 * Các số hạng lại (2.27) (2.28): chiếm ưu r < λo tạo trường phản ứng khu gần tính ảo vector Poynting - Nếu kor nhỏ cho thay e − jk r ≅ thì: (khu gần) Idlk0 sin θ aϕ (2.32a) 4πr Z Idl ⎡ cosθ ⎛ ⎞ sin θ ⎛ ⎞ ⎤ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟aθ ⎥ + + + E= 1 a ⎢ r jk0 r ⎟⎠ r ⎜⎝ jk0 r ⎟⎠ ⎦ (2.32b) 4π ⎣ r ⎜⎝ H= Cho k0rphương trình (2.32b) trở thành E= sin θ ⎤ Qdl ⎡ cosθ ar + aθ ⎥ ⎢ 4π ⎣ r r3 ⎦ (2.32c) Lưu ý : - Tương tự phân bố trường tĩnh dipole điện - Mặc dù trường khu gần khơng đóng góp vào cơng suất xạ, liên quan đến tích tụ lượng khu vực bao quanh gần anten, cần tính đến tính trở kháng anten - Biểu thức vector Poynting phức, tính việc sử dụng biểu thức tổng quát trường có phần thực (phần liên quan trực tiếp đến xạ) bao gồm trường xạ cho biểu thức (2.31) § 2.4 MỘT SỐ CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN Bức xạ phần tử dòng điện gọi xạ lưỡng cực Được dùng để định nghĩa thông số anten nói chung Kiểu xạ: Phân bố tương đối công suất xạ nnhư hàm hướng xạ không gian - Công suất xạ dipole nguyên tố tỷ lệ với sin2θ (2.31) Kiểu xạ có dạng hình số hình sau: (hình vẽ) -a) Mặt chiều -b) Mặt E -c) Mặt H * Tia nửa công suất: Giữa điểm mà cơng suất xạ = ½ cơng suất cực đại CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hệ số định hướng độ lợi: - Các anten thường không xạ dồng theo hướng - Sự thay đổi cường độ xạ theo hướng không gian mô tả hàm hệ số định hướng D(θ,ϕ) anten - Cường độ xạ công suất xạ góc đặt (hay góc khối) Chính bàng tích vector Poynting với r2 - Đối với dipole nguyên tố: (lưu ý (31)) dPr sin θ = I I * Z (dl ) k 02 (2.33) 32π dΩ Định nghĩa hệ số định hướng: D (θ , ϕ ) = 4π dPr dΩ (2.34) Pr Với Pr cơng suất xạ tồn phần - Với dipole nguyên tố: từ (2.33)=> I I *Z0 (dlk0 ) Pr = 12π (2.35) Vì dΩ =sinθ dθ dϕ Từ (2.33) (2.34) => D (θ , ϕ ) = 1,5 sin θ (2.36) Cực đại đạt giá trị 1.5 θ=π/2 • Hệ số định hướng cực đại (thường viết tắt hệ số định hướng) đặc trưng cho khả anten tập trung lượng xạ theo hướng cho trước • Anten vơ hướng: Bức xạ đồng theo hướng • Độ lợi G(θ,ϕ)của anten định nghĩa tương tự hệ số định hướng, công suất xạ đựơc thay cơng suất tồn phần đặt vào anten Pin Pr = ηPin (2.37) • Hiệu suất anten: G(θ , ϕ ) = ηG(θ , ϕ ) • Vậy : (2.38) * Effectve isotropic radiated power: (EIRP)=(input power)x(maximum gain) chẳng hạn anten có độ lợi =10, cơng suất nguồn = 1W đạt hiệu anten có độ lợi công suất 5W Cả hai anten có sùng số EIRP.vậy giảm cơng suất máy phát sử dụng anten có độ lợi cao * Điện trở xạ Ra : - Định nghĩa: điện trở tương đương tiêu thụ lượng cơng suất anten xạ dòng cung cấp - Đối với anten dipode : ⎛ dl ⎞ Z (dlk ) Ra = = 80π ⎜⎜ ⎟⎟ 6π ⎝ λ0 ⎠ => (2.39) 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ∞ → E ( x, y , z ) →→ → −j k r = ∫ ∫ f (kx , k y )e dkx dky 4π -∞ (5.10) * Ý nghĩa (5.10) miền khơng gian z>0 điện trường có dạng phổ → →→ −j k r → sóng mặt phẳng hàm f (kx , k y )e sóng phẳng với biên độ f , lan truyền theo → hưóng vector lan truyền k → 2 2 * Để ý : k z = k0 − k x − k y => k = k0 * Nếu kz + kx > k0 => số sóng kz ảo Ỉ sóng phẳng vùng phổ suy yếu dần theo hướng Z Nói cách khác, có cac sóng phẳng vùng phổ 2 tươnh ứng với kx + ky ≤ k0 đóng góp vào trường khu xa * Khi z=0 ta phải có điều kiện biên : 2 E= 4π → ∞→ ∫ ∫ f (k , k )e t x − jkx x− jky y y dkx dky -∞ (5.11) Từ ( 5.2 ) ta có : → f t (kx , k y ) = → jkx x+ jky y E (x, y) e dx.dy a 4π ∫∫ Sa (5.12) → → − f t kt − k x f x − k y f y f = = * Từ (5.9) => z kz k02 − k x2 − k y2 (5.13) r * Nếu tính tích phân (5.10) xác định E , điều dễ dàng thực r>> λ0 hay kor>>1 → jk0 cosθ − jk0r → → E = e f (k0 sin θ cos ϕ , k0 sin θ sin ϕ ) r ( ) (5.14) Khi : 2πr * Nhận xét : - Trường xạ khu xa tỷ lệ vói ảnh Fourier trường bề mặt với (công thức) thành phần vectorấóng sóng cầu lan truyền theo hướng (θ,ϕ) - Theo hướngZ,fz≈0và cosθ≈1thường xạ tính theo r (5.14)+(5.12) đạt cực đại; E có thành phần Ex,Ey tỷ lệ với fx,fy r r r - Vì ∇.E = k f = nên thường đường phân cực ngang TEM vùng xạ (khu xạ) 40 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt _ 41 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt §5.2 BỨC XẠ TỪ MỘT MIỆNG CHỮ NHẬT - Giả thiết trường miệng đồng cho : → → E = E0 ax với x ≤a y ≤b = với giá trị khác x,y (5.12) trở thành → → f t = 4abE0 ax sin u sin v u v (5.16) => Cường độ trường xạ cho (5.15) : → → E( r ) → jk0 4ab − jk0r sinu sin v → = e (aθ cosϕ − aϕ cosθ ) 2πr u v (5.17) * Nhận xét : - (5.17) có dạng tương tự mảng đồng pha chiều - Có dạng tương tự kiểu xạ vùng khả kiến không gian u,v với u ≤ k a, v ≤ k 0b - Các cực đại phụ có độ lớn giảm dần * Trong mặt phẳng ϕ = : → E( r ) = → jk0 − jk0r → sin(k0a sinθ ) e aθ 4abE0 2πr k0a sinθ Độ rộng tia : BW = ∆θ ≈ (5.18) λ0 với a >> λ0 a §5.3 BỨC XẠ TỪ MIỆNG TRỊN - Giả thiết trưòng đồng → → E = E0 ax với =0 x2 + y2 ≤ a2 với x + y > a Khi : → → f t = 2πa E0 ax J1 (k0a sinθ ) k0a sinθ 42 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trong J0(x) ,J1(x) hàm Bessel bậc 0,1 loại * J1(x) tương tự hàm sin tắt dần (hàm lưọng giác có biên độ giảm dần ) π ⎛2⎞2 ( ) J x → ⎜ ⎟ sin(x − ) * Với x>> ⎝ πx ⎠ * Đồ thị hàm phương hướngcó dạng tương tự xạ từ miệng chữ nhật, với suy giảm nhanh cực đại phụ 3,832 λ BW = ∆θ ≈ π a R = -17,6dB _ §5.4 MIỆNG VỚI TRƯỜNG ĐỒNG NHẤT CÓ PHA BIẾN ĐỔI TUYẾN TÍNH Xét miệng hình chữ nhật với cường độ trường có dạng : → → E = E0 ax e− jαx− jβy với → f t = E0 ax => → ∫ ∫e y ≤b j ( kx −α ) x+ j ( k y −b) y dx.dy (5.21) −a−b E (→r ) = => → a b x ≤a → jk0 4abE0 − jk0r sin(u − u0 ) sin(v − v0 ) → (aθ cosϕ − aϕ sinϕ.cosθ ) (5.22) e 2πr (u − u0 )(v − v0 ) - Kiểu xạ hệ toạ độ u,v tương tự miệng chữ nhật đồng với cực đại u=uovà v=vo, tức là: k0 a sinθ cosϕ = u0 = αa k0bsinθ.cosϕ = u0 = αb => β tg ϕ = , π (α sinθ = +β2 k0 ) =>có thể điều khiển hướng xạ cực đại tương tự mãn chiều * Nếu ß = hướng xạ cưc đại nằm mặt phẳng ϕ = 0( hay mặt phẳng xoz) với góc θ = θ0 cho : αλ arcsin⎛⎜α ⎞⎟ = arcsin⎛⎜ ⎞⎟ ⎝ 2π ⎠ ⎝ k0 ⎠ 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Hướng “không” thoả mãn điều kiện u − u o = ± π => BW = 2(θ − θ ) = λ0 a cosθ §.5.5 MIỆNG VỚI TRƯỜNG CĨ BIÊN ĐỘ GIẢM TỪ TÂM RA BIÊN: xét miệng chữ nhật với phân bố trường có dạng → → E = E0 ax (1 − x a ) với y ≤b → → sin k b ⎡ sin k x ( a ) ⎤ y ⎥ ⎢ f t = abE a x k y b ⎢ k x (a ) ⎥ ⎦ ⎣ => (5.23) ( )⎞⎟ (a cosϕ − a sinϕ.cosθ ) (5.24) ( ) ⎟⎠ u jk0 abE0 − jk0r sinv ⎛⎜ sin → E( r ) = e πr v ⎜ u ⎝ → => x ≤a → → θ ϕ - Tỷ số mức mức phụ R = 26dB - Cực đại xảy u = v =0 → = E max k0 abE0 πr - 44 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CHƯƠNG 6: MIỆNG ỐNG DẪN SĨNG – ANTEN LOA -Miệng ống dẫn sóng( hình chữ nhật tròn) thường khơng sữ dụng làm anten phát tính định hướng kém, thường sữ dụng làm chiếu xạ cho anten parabol phản xạ § 6.1 ỐNG DẪN SĨNG CHỮ NHẬT - Xét ống dẫn sóng chữ nhật có kích thước tiết diện ngang a x b , miệng ống định xứ mặt z = - Mode truyền sóng chủ yếu sóng TE10 (transverse electric), có Ey, Hx, Hz π x − jβ z e E y = E cos a π x − jβ z e H x = − E 0YW cos (6.1) a πx E y = E cos - Với z = => a πx H x = − E 0YW cos a * Tại gần miệng ống xuất sóng phản xạ mode TE10 mode bậc coa với biên độ nhỏ * Nếu sữ dụng miệnh ống dẫn sóng cho chiếu xạ, bỏ qua mode bậc cao coi trường mặt z = , ≠ miệng ống - Theo nguyên lý đổi lẫn → trường điện từ, coi tồn → πx = cos J E a ms dòng từ mặt x a - Tường xạ khu xạ tính công thức (5.15) với fx =0 (theo 5.12, lưu ý Ex =0) f y = 2π abE [ ( )] cos [k (a )] k (b ) π − (k a ) sin k y b x 2 x y - Trong mặt phẳng ϕ = π (6.3) (yoz) , kx =0, Eθ tỷ lệ với fy = π abE [ ( )]sin θ [k (b )]sin θ sin k b - Trong mặt phẳng ϕ = 0, k y = 0, Eϕ tỷ lệ với 45 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt fy = [ ( )sin θ ] cos θ − (k (a )sin θ ) cos k a π2 - Công suất xạ toàn phần theo (6.2) ab YW E02 Pr = => Hệ số định hướng : D = 4π r 2Y0 Eθ = 64 ab 2Pr βλ0 λ20 * Đánh giá hệ số định hướng: chẳng hạn cho dãi X (8 ÷ 12 GHz), 6.2 ANTEN LOA H - Để nhận trường xạ có tính định hướng cao so với miệng ống dẫn sóng, mỡ rộng miệng ống dẫn sóngthành anten loa - Nếu miệng ống dẫn sóng chữ nhật mỡ rộng mpỈanten loa H (hình vẽ) - Trường xạ từ phía miệng ODS phía miệng loa có dạng mặt sóng trụ tròn (hình vẽ) - Để trường miệng loa gần đồng pha góc mở ϕ phải nhỏ - Độ lợi kiểu xạ giống với miệng xạđồng pha, lượng sai khác π π λ0 π pha rìa miệng loa tâm loa ≤ hay k ( R2 − R1 ) ≤ ⇔ tg ≤ 4 4a ' Vậy để có miệng loa rộng thf góc mở ϕ nhỏỈ hạn chế phạm vi sữ dụng( loa dài) - Nếu bỏ qua sai khác pha coi phân bố trường miệng loa tương tự trường miệng ống dẫn sóng TE10 : → → E a = E0 ay cos πx với a' x ≤ a' y ≤ b' 2 - Trường xạ tính tương tự trường hợp ống dãn sóng chữ nhật với a Ỉ a’ số truyền sóng : ( ) β = ⎡k02 − π a' ⎤ ⎢⎣ ⎥⎦ ≈ k0 46 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Hệ số định hướng : D = 10 , a'b λ 20 - Độ lợi G ≈ D - Với chiều dài loa độ lợi tăng tăng góc mở ϕ Tuy nhiên sai pha miệng loa tăng theo Ỉ giảm độ lợi - Các tính tốn lý thuyết Ỉvới chiều dài loa độ lợi cực đại nhận tăng độ rộng miệng loa a’ sai pha ≈ 0,75 π § 6.3 MIỆNG ỐNG DẪN SĨNG HÌNH TRỊN - Mode TE11 phân bố điện trường tiết diện thẳng (sử dụng hệ toạ độ cực ( ρ , ϕ )) Eρ = sinφ ρ ρ J1 (1,84 ) a (5.3.1) ρ dJ (1,84 ) 2a cosϕ a Eϕ = 1,84 dρ (5.3.2) (hình vẽ) - Trong hệ toạ độ Decarte : Ex = Eρ cosϕ − Eϕ cosϕ (5.3.3) Ey = Eρ sinϕ − Eϕ cosϕ (hình vẽ) - Sử dụng tính chất hàm Bessel E x = J (1,84 ρ ρ a ) sin 2ϕ (5.3.4) ρ E y = J (1,84 ) − J (1,84 ) cos 2ϕ a a - Sử dụng cơng thức tích phân Lommel : (5.3.5) Eθ = jk − jk r J (1,84 ) J ( u ) e a sin ϕ a r u 1,84 (5.3.7) Eϕ = ⎡ 1,84 J (1,84 ) dJ ( u ) ⎤ jk − jk r e a cos θ ⎢ 2 r du ⎥⎦ ⎣ (1,84 ) − u (5.3.8) * Nhận xét 47 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - mp ϕ = π (mặt E), kiểu xạ tương tự kiểu xạ miệng xạ đồng hình tròn (chươnh 4_) - mp ϕ = 0(mặt H) kiểu xạ hoàn toàn tương tự kiểu xạ miệng ống chữ nhật -hệ số định hướng tìm theo cách tương tự với ống chữ nhật D= 66 πa (5.3.9) βλ0 λ20 § 6.4 LOA H - Để nhận trường xạcó tính định hướng cao so với miệng ống dẫn sóng, mở rộng(hay làm loe ra) miệng ống dẫn sóng thành anten loa - Nếu miệng ống dẫn sóng chữ nhậtđược mở rộng mp H , ta có anten loa H, - Trường xạ vào loa từ phía miệng ống có dạng sóng trụ với mặt đồng pha dạng mặt trụ tròn (hình vẽ) - Để trường miệng loa gần đồng pha góc mở ϕ phải nhỏ - Độ lợi kiểu xạ giống với miệng xạ đồng pha, lượng sai π π λ π khác pha rìa loa tâm loa ≤ hay k ( R2 − R1 ) ≤ ⇔ tg ≤ 4 4a' * Nhận xét : để có miệng loa rộng góc mở ϕ phải nhỏ Ỉ loa dàiỈ giới hạn phạm vi ứng dụng - Nếu bỏ qua sai khác pha trường miệng loa coi phân bố trường miệng loa tương tự trường miệng ống dẫn sóng ứng với mode TE10 → → E a = E0 ay cos πx a' , với x ≤ a' y ≤b 2 - Trường xạ dược tính tươnh tựnhư trường hợp miệng ống chữ nhật § 5.2 với a’, với số truyền β ≈ k0 a' b - Hệ số định hướng : D = 10,2 λ0 - Độ lợi (công thức) - Với chiều dài loa, độ lợi tăng tăng góc mở nhiên sai pha miệng loa tăng làm giảm độ lợi tính tốn lý thuyết rằng: với chiều dài loa độ lợi cực đại nhận tăng đọ rộng miệng loa a’ đạt sai pha ≈ 0,75π 48 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 49 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CHƯƠNG : ANTEN PARABOL § 7.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG - Là anten có tính định hướng tương đối cao, sử dụng chủ yếu dải sóng cực ngắn (thơng tin di đơng vệ tinh) - Phương trình mặt parabol hệ toạ độ cực: 2f r= (7.1.1) + cosθ - Đặc trưng bề mặt parabol tất tia xạ xuất phát từ từ tiêu điểm (nơi đặt loa chiếu xạ ) sau phản xạ song song với trục parabol Ỉ áp dụng nguyên lý quang hình để tìm trường miệng parabol - Trong ứng dụng cho nghiên cứu xạ vũ trụ, để tránh ảnh hưởng nhiễu từ mặt đất (có thể làm giảm độ nhạy), người ta thường dùng hệ thống chiếu xạ thứ cấp Hệ parabol lúc gọi anten Cassegrain _ § 7.2 Hiệu suất miệng xạ 1) Mật độ công suất xạ miệng parabol: - Ký hiệu g (θ,ϕ): công suất xạ/ đơn vị góc đặt theo hướng (θ,ϕ) nguồn chiếu xạ => cơng suất đến mặt phản xạ góc sinθdθdϕ : Pi (θ ,ϕ) = g(θ ,ϕ).sinθ dθ dϕ (7.2.1) - Một công suất tương tự phải xuất mặt miệng rsinθ dϕ ds (công thức) 2) Tổn hao tràn: đặc trưng hiệu suất tràn: tỷ số công suất gương phả xạ trở lại/tổng công suất xạ chiếu xạ P(ρ,ϕ)r sinθ.dϕ.dρ = g(θ ,ϕ).sinθ.dθ.dϕ (7.2.2) Hay P(ρ,ϕ) = g(θ ,ϕ) dθ r dρ (7.2.3) - Sử dụng (7.1.1) => 4f − f cosθ = 4f + f 2 ( 1+ cosθ ) P(ρ,ϕ) = g(θ ,ϕ) = g(θ ,ϕ) 4f (7.2.4) 16 f (4 f + f )2 (7.2.5) 50 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ( ) Nếu g (θ , ϕ ) = const P(ρ,ϕ) = cos θ * Hệ số định hướng chiếu xạ : 4π g ( ,0 ) Df = (7.2.7) Pch × ∑ 3) Hiệu suất miệng: mô tả tất dạng tổn hao (phân bố biên độ, pha đặc tính phân cực) - Trường miệng: → → → E a (ρ, ϕ) == Ex (ρ, ϕ) ax + Ey (ρ, ϕ) ay - Cơng suất xạ tồn phần từ miệng: giả thiết sóng sóng phẳng 2π a Pa = ∫ ∫ P( ρ , ϕ ) ρ dρ dϕ 0 - Mật độ công suất xạ đơn vị góc đặc : k 02Y0 2 Y0 r E = 8π 2 2π a → ∫∫E a ( ρ , ϕ ) ρ dρ dϕ (*) 0 Nếu công suất xạ toàn phần Pa từ miệng parabol phân bố đồng với mật độ Pa / πa2 : ⎞ ⎛ 2P Ea = ⎜ a ⎟ πa Y0 ⎠ ⎝ (**) Khi trường miệng phân cực thẳng đồng pha Trường tạo mật độ cơng suất đơn vị góc dài dọc theo trục z : k02πa Pa 4π - Thường chiếu thành phần phân cực sử dụng, chọn thành phần Ey, kh đó: tỷ số công suất xạ thành phần Ey Gọi ηλ hiệu suất miệng ≡ mật độ công suất xạ đơn vị góc đặc 2π a → ∫∫E ηλ = πa a ( ρ , ϕ ) ρ dρ dϕ 0 2π a ∫∫(E x (7.2.9) + E y ) ρ dρ dϕ 0 + Hiệu suất miệng đựơc biểu diễn tích số hạng, bao gồm tổn hao chiếu xạ không đồng (1-ηi), tổn hao không đồng pha trường miệng (1- ηp) tổn hao phân cực ngang (1- ηx), tức là: η A = η iη p η x 51 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt g = + Độ lợi trục : I Pin = 4π 4π I Pin Với I: Cường độ xạ anten theo hướng trục (watts/ đơn vị góc đặc) ứng với dạng phân cực thẳng cho trước, Pin: công suất đặt vào chiếu xạ + Công suất xạ chiếu xạ : PT =ηf Pin chiấu xạ + Công suất đến miệng parabol là: với ηf : hiệu suất ηS PT = Pa G = η S η f 4π => + Tổng quát : I Pa ⎞ ⎛ I G = η S η f η x η p η i ⎜⎜ 4π πa ⎟⎟ ⎠ ⎝ λ0 * Hệ số định hướng: Cường độ xạ từ miệng đồng phân cực thẳng: jk E0 − jk0r → e πa a θ E = Eθ = 2πr → → => Mật độ cơng suất góc đặc : Y0 r Eθ 2 k 02 E02 = Y0 a + Công suất xạ toàn phần D= => + Tổng quát : 4π Pa = πa2Y0 E02 (πa ) λ 4π D = (πa )η S η A λ0 (7.2.10) (7.2.11) 52 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CHƯƠNG : ANTEN THU § 8.1 DIỆN TÍCH HIỆU DỤNG + Trong đa số trường hợp, dùng nguyên lý thuận nghịch để khảo sát đặc trưng anten thu: Các đặc trưng anten sử dụng để thu sóng điện từ gần với đặc trưng tương ứng anten sử dụng để xạ sóng điện từ Ỉ Nếu anten có độ lợi G theo hướng cho trước xạ có độ lợi nhận xạ từ hướng sóng tới có dạng phân cực + Để tiện khảo sát đặc trưng nhận anten thang ta sử dụng khái niệm diện tích hiệu dụng Ae cho lượng nhận anten mật độ lượng đến đơn vị diện tích nhân với Ae + Khi điều kiện dạng phân cực sóng đến điều kiện trở kháng thoả mãn thì: λ 20 G Ae = 4π Với anten miệng Ae ≤ diện tích thực miệng Và Ae ~ diện tích thực miệng + Đặc trưng phân cực rcủa anten mô tả việc sử dụng thông số chiều dài hiệu dụng phức h → → r V0c = h Ei Ei cường độ điện trường sóng tới Voc: Thế hở mạchr thu Với anten dipole h ~ chiều dài anten ≤ chiều dài anten phân bố dòng bất đồng _ § 8.2 CƠNG THỨC FRIIS - Xét hệ R – T antennas Anten phát có độ lợi Gt (θt ϕt) gọi Pin:công suất đặt vào T – anten Γt : Hệ số phản xạ đường truyền nuôi T – anten => cơng suất xạ tồn phần là: (1 − Γt ) Pin (8.1) + Mật độ cơng suất đơn vị diện tích theo hướng R–anten, khoảng cách r là: Pinc = (1− Γt )Pin Gt (θt ,ϕt ) (8.2) 4πr 53 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt => cơng suất tín hiệu thu là: 2 Prec = (1− Γr )Gr (θr ,ϕr )(1− Γt ) Pin Gt (θt ,ϕt ) 4πr (8.3) Công thức (8.3) công thức Friss + Nếu điều kiện tính phân cực khơng thoả mãn Pinλ20 Prec = p(1− Γr )(1− Γt ) Gr (θr ,ϕr )Gt (θt ,ϕt ) 4πr 2 → Với : p = → h Ei → h → (8.4) (8.5) Ei 54 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... THỐNG ANTEN + Anten thông dụng : - Anten râu ôtô - Anten tai thỏ tivi - Anten vòng cho UHF - Anten Log-chu kỳ cho TV - Anten Parabol thu sóng vệ tinh + Trạm tiếp sóng vi ba (Microwave Relay) - Anten. .. dụ : anten nửa sóng) + Bài tốn lý thuyết kỹ thuật anten: xác định phân bố mật độ dòng điện J bề mặt anten cho trường xạ thỏa mãn điều kiện biên anten Bài toán thường giải gần + Phân bố dòng anten. .. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN §2.2 2.2.1 HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL + Đối tượng chủ yếu thuyết kỹ thuật anten khảo sát xạ thu trường điều hòa ~ejwt