Lý thuyết và kỹ thuật anten

GS TSKH PHAN ANH l í T H i É v Á n m i Ậ í V Ũ NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VA KY THUẠT HÀ NỒI 2007 m i Ẩ!ời nói đau N h â n dịp tái lấn t h ứ Cuốn ‘7._ý t h u y ế t K ỹ t h u ậ t A n t e n " tái lần thứ vào nãm 2002 ổ sách tái lần thứ vào năm 1996 với inột s ố sửa chữa bổ sung địn lần tái lì o n g năm vừa qua, cá hai lĩnh vực L ý thuvết K \ thuật Anten dều phát triê m ạn h \'à dã đạl nhiều thành tựu quan trọng Về lý ih uy ết, phải kể đến việc phát triển phư(íng pháp tính tốn cho phép pha lích anten hiệu quá, với trợ giúp củ a m y tính số, khơng kh ng Iiói đến “ Phương pháp inome nt” Về kỹ thuật, việc phái iriổn ứng dụ ng phương thức xử lý tín hiệu với thàh tựu đạl dược lĩnh vực công nghệ vi điện tử điện tử siêu cao tần cho thiết lập hệ anten có xử lý tín hiệu với nhiều tính năn g mới, linh hoạt, khiến c hia nl en khơng cịn hệ điện độ ng học thụ độ ng mà cịn chủ động tham gia vÌKcác khâu nhằm nâng cao hiệu hệ Ihống thông lin Đ ó hệ anlen thích Iigỉ, anteii ihôniỉ minh Việc phái triển phương lliức ihởng tin vô luìi năm gần vói mớ lỘR pliổ láii số (lẽn dái G H z nảy sinh I i h i ể u loại anten phù hợp hiệu f)ò đ p img nhu cáu nám bát kiến thức lĩnh vưc Lý thuyéì Kv thuật Atcn ciia dối tượĩig độc giả lần tái c h ún g tỏi dã dưa thêm clntng mới, đổ ng ihừi bổ sung thêm nhiều kiến tliức sò chưcrng Theo yêu cẩu cùa tác giả, TS Trần Minh Tu ân iham gia biên soạn chương " P n e pháp m om c nt ứng dụn g loán phân tích aiiten” (Chưcmg 5) r s Hồng Đình T h u v ê n d ã tham gia biên soạn lại bổ su ng thêm c ho chương “ Lý ihivết T hcrp a n te n ” (Chương 9) TS Trần X uân Việt dã tham gia biên soạn lại bổ sung thêm c h o chưcmg “ Phươiig php dicLi khiển đổ thị phưtíiig hướng anten” (Chương 13) ChiKíng “ Phương phá p xứ lý tín hiệu hệ a n te n ” củ a lần tái trước đự c biéii soạn lại bổ su ng thèm nhiều nội dun g, đổi thành “ Hệ anten có xử lý títhiệu Anten thơng m i n h ” (Chương 12) “ Anteii mạch dả i” cũn g biên soạn nh chưcíng riêng (chương 24) 'ProMg lần tái báii nàv c h ú n g đ ã lưực b('rt m ộ t s ô nội d u n g t r o n g p h n phụ lục cũ dẽ dưa ihôm vào nội du ng mới, dạc biệt chưcyiig Do kliiiỏii kh ổ in án Cv') hạn Iiỏn phụ lục dược sãp xếp mội dĩa C D đẽ phá! Iiàiili cùntĩ với cuón sách Chúng hy vọng cu ốn sách tái bán lần Iiàv đ p ứng phá n n o việc bổ sung kiên thức c ho đỏi tượng dộ c giả sinh \ iêii học \'iên c a d học ĩiízliiC‘ii cứu sinh Tác giả c hân thành c ả m ơn c ộ n g tác cúa d n g n g h iệ p dã d ó n g góp clio \ iệc bổ sung hồn thiện c uốn sách tái bán lán nàv T Á C GIẢ PHẦNI LÝ THUYẾT ANTEN NHẬP MƠN § 0.1 VỊ TRÍ CỦA ANTEN TRONG KỸ THUẬT v ị TUYẾN ĐIỆN Viẽc iruvcn lượng diện từ không gian có thổ dưííc thực theo hai cách: - D ù n g hệ trLiyềii dẩ n, ng hĩa hệ dẫ n sóng điện từ nh đưcyiig dây song hành, đ ườ ng truyổn đ n g trục, ơn g d ẫ n sóng kim loại điện mơi v.v Sóng điện từ truyển laii Irong hệ lliống nà y thuộc loại só ng điện từ ràng buộc - Bức xa s ón g k hổ ng gian Sóng truvền n g sóng điện từ tự Thiết bị d ù n g đế xạ só ng đ iệ n từ thu nhậ n sóng từ khơn g gian bên ngồi d ợ c g ọ i a n ĩ e n Anten phậ n quan trọng k h ô n g thiếu cùa hệ thông vô tuyên tiiện bứi d a hệ th ò n g vô ên ng hĩ a hệ thống có sử d ụ n g sóng điện từ, tliì k h n g k h n g d ù n g dèìi thiết bị đế xạ thu só ng điện từ (thiết bị anten) Ví (ỈỊI, lìệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồ m m y phát, máy thu, anten |)luil unlcii llm T h i i g ihưỊMg giữ u m y phút aiilcii pliát c ũ n g n h niáy thu anten ihu kh ôn g Iiối trực tiếp với nha u m g h é p với q u a đư ờn g truyổn nâng lượng diộn từ, gọi f i d e T r on g hệ th ốn g này, m y phát có nhiệm vụ tạo da o dộn g điện cao tầii Dao d ộ n g diệ n truyền theo fide tới anten phát d ng sóng điện từ ràng buộc A ntc n phát c ó n h iệ m vụ biến dổi sóng điện từ ràriiỉ buộc fide ihành s ó n c diện từ tự d o hức xa k h ô n g gian Cấu tạo anten định đặc tính biến dổi Iiăng lượng điện từ nói trẽn An tcn thu c ó nhi ệm vụ ngược với anten phát, nghĩa tiếp nhậ n sóng diện từ tự từ khóntỉ gian ngồi biến đổi c h ú n g nh só ng điện từ ràng buộc Sóng nàv iriiycn th e o fide tới m v thu N h n g cần lưu ý rầng năn g lượng điện từ m anten thu tiếp nhận từ k hô ng gian ngồi c ó phần truyền tới m y thu, phần xạ trứ [ại vào k h ô n g gian (bức xạ thứ cấp) Ycu cầu cú a thiếl bị a nte n - fide phải thực việc truyền biến đổi lượng với hiệu suất c ao k h ô n g gây m é o ng tín hiệu Aiìtcn dược ứng tlụiìg hệ ihống thơng lin vơ tuyến, vỏ luyến Iruycii llìanỉi Iru ycn hiiili, v ỏ l u y è i i d o h n g , v ỏ luyón i h i ê n v ă n , v ô iLivến d i ê u k h i é n l xa Ngồi đc kích ihích só ng điện lừ hệ thơng dịnli h ướ ng lìliư ong dan sóng, lìỏc c ộn g hướiìg v.v Iigưừi la cũiig dùng kéì câu lưcyiiịỊ lự n h antcii Anleii dược sư clụiig \ở \ lìiục dích kháe cũn g có ycLi câu kluic Với dài pliál tlìaiìh \ íưiì Iruvcii lììiili Ihì aiìlciì xạ d ỏ n g dcu irong inạl phang ng an g (mật dất), đe ch o máy thu đậl ỡ hiKÍìig bál kỳ đcLi c ỏ ihê llui dược lín liiệu cúa đài phát Song, anlen lại cần xạ định hướng mặt pliáng đứĩm, với hướng, cực đại song song mặt dâì dế dài thu irẽn mạ( dấl có thc nhận dirợc tíiì hiệu lớn nhát đc giảm nhỏ nàng lượng xạ llìco hướng khỏiie cán ihiết Trong ihỏng tin mặl đấl vũ trụ, thóng tin iruyển liếp, rada, vô iLiyêin dicu khicn v.v u cáu anlen xạ với liướng lính cao, nghĩa s ổn g xạ chí tãp Irung vào góc râl hẹ p irong klìóng gian iNhư nhiệm vụ cúa anlcn khơng phái chí đơn giãn biến đối năn g lưc;fiig diện l cao tần ihành sóng diện từ lự do, mà phái xạ sóng áy theo hướng nhãì định, vói vèu cầu kv thuậl c ho trưóc Ngày nay, phái iricn củ a kv íhuậl iroiìg lĩnh vực thõng lin, rada diêu khieii v.v đòi hỏi anten không chi đơn thiián làm nhiệm vụ xạ hay tlìu sóng diện từ mà cịn tham gia vào qu trình gia g tín hiệu Trong trường hợp tổng quát, aĩitcn cán hiếu tổ hợp bao gồm nhiéu hẹ thống, chủ yếu nhấl hệ thống xạ, cảin thụ sóng ba o g m phần tử anlen (dùng để thu phát), hệ Ihỏng c ung cấp lín hiệu đ m bảo việc phàn phối nãng lượng c h o phần t xạ với Cik' yêu cầu khác nha u (trường hcrp anlen phát), hệ thống gia c ơn g tín hiệu (trường hợp antcn thu) Sa đổ cúa hệ thống vỏ luyến điện với ihỉêì bị anlcn dược vẽ hình 0.1 T Hệ thong cung cấp tín hiêii ỉỉệ ihốĩm xa An ten phát a Hệ ihống phát Hệ thống càin ihụ \ — ^ Hệ Ihống gia cơng tín hiệu An len ihu b Hệ thống thu §0 HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXVVELL VÀ NGHIỆM 1’oàii lý thuyết antcii xây dựng Irèn sở phưưng trình c bủn cúa điện dộiig lực học: pliương trình Maxvvcll Ra đời hơii 100 n ă m trước đâv (nàm 1X73) Iiliữiig phưưiig trình Maxvvelị dã m ứ khả tạo sóng điện từ k h ơn g gian Đế n Iiãm 1887 dó dược Hcrt/, xác nhận thực Iiịiliiệm, với phắn tử xạ ỏng tạo Phán tử sau dược m a n g lẽn ổng, gọi đipỏl llcil/, Tr ong phán Irìnli bày sau ta coi qu Irình diện từ trình biến dổi itiéii hòa theo thời gian, nghĩa theo quv luật sino)/, COSO)/ viết dạng phức sỏ c'"’’ Néii biCai thị dạng phức số vectơ tức thời cưctng dộ điện trườiig pluin tliực hciạc phần áo xcciơ lức thời phức sô ciia triànig: 1: = R c ( E e ' " ^ ' ) = E c o s í o i , E - = Esino)/, tn m g dó E biên đ ộ phức trường Đó clơn gián, vổ sau ta bỏ dấu chàm phía ký hiệu đại lưíĩiig phức Dổi với dao d ộ n g diện từ phức lạp, ta coi IIĨ tổng vị sơ dao dộng đicii hịa, nghĩa c ó thé áp d ụ n g plìép phân tích Pourier đế biểu thị I roiig tỊuyến sách Iiày ch ú n g ta sử dụng hộ dơn vị hợp lý hóa thực dụiig; inét, kilỏgam, giâv CLilịng, coi môi trường khảo sát đồ n g đắ ng hướng VỚI qui đị nh trên, phương trình Maxwell ng vị phân viết ilaiig: ro t// = rol E = -;o)f.i// + J (I) (II) ( 1) dó, div/: = (III) cli\ / = (IV) 1’ - biên clộ phức cúii véclơ cường độ điện trường, vôn mél m II - biên độ phức vectơ cường độ từ trường, — — mét m s = í: - hệ số điện thẩm phức mơi trường; (OC - hệ sỏ diện thẩm tuyệt đối môi trường, fara I ( r ‘^ F = ỉ)ối với mổi trường c h ân kliỏng í: = ^f)n V hcnri ị.t - hệ sỏ từ Iham ciia mịi irirờng, niél Đối với c hân k g ụ = Ị-I^^ = tĩ 10 V a - điện dan st cíia mơi trườiig, -7 m n ì H ; sime n —- mél J - biẽiì độ phức cù a véctơ mậl độ d ò n g điện, — — m é t vuông m p ‘' - niàt độ khối diện tích, mét khối m Biết Iigiiổn tạo Irườiig điện từ d ò n g điệ n ệ n tích N hưn g troiig inột sị írirờng hcrp đế dẻ dà ng guii mội số toán diện đ ộ n g lực học, người ta dưa théni vào hệ phương trình Maxvvell đại lưẹnig d ò n g từ từ tích Khái ni ệm dịng từ từ tích có tính chất tượng trưng c h ú n g k h n g tồn thiên nhiên Hệ phưctng Irình Max w el l k h ô n g có dị ng điện diện tích ngồi có dịng từ tích ngồi dược viếl ng : rolH = iiúc^E roíE = - m ụ i ỉ - J (I) ỉn ciivE = (II) ( ) (IIỈ) fn livtl - av) vòn - biên độ phức củ a mật độ d ò n g từ m étYuòtiị> p"' - mật độ khối từ tích, r ê he Vh métkhổi ni m So sánh hai hệ phươiig trình (0.1) (0.2) ta thây c h ú n g c ó d n g giốn g n u thực chất khác vị trí véc lơ E / / R õ ràng từ hệ (0.1) ta có thê nhận hệ (0.2) ngược lại, ta thực phế p biến đổi lẩn sau.(*) Ẽ ^ ĩĩ J ‘- \ Ĩ i^ - E ; J'>' _ > _ J -p (0.3) Do líiih chài tương tự hệ (0.1) (0.2) có thổ thấy rằng, biết lời giải liệ (0.1) , ngliĩa biết trường E , / / tạo nguồn điện , dễ dàng tìm lời giái củ a liệ (0.2) , nghĩa tìm trường tạo nguồn từ, bằ ng cách thực phép đổi lảii (0.3) ( với diều kiện pha n bỏ c ù a n gu ồn điện nguồn từ khô ng gian giống nliaư) Điéii dó c h o phép ta c ó d ơn giản hó a việc giải nhiều toán thực tế điện động !ực học dã biết lời giái c ủ a hệ thống điện từ tưcmg tự vói chúng C ù n g với khái niệrn vật d ẫ n điện lý tưítng, b ta c ũn g đưa vào khái niệm vc vậi dản từ lý tưứng Nế u trường Irên bề mật vật d ần điện lý tưởng phải thỏa mãn điểu kiện bờ: E, = o H „ = o , = / ÍX/ / , (0.4) 'IVon g d ó : E, - nh phần tiếp luy ến củ a c n g dộ điện trư ờn g trờn bề mặt vậi dẫn; n„ - thành phần phá p tuyế n c ủ a c n g độ từ trườiig trờn bề mặt vật dần ; - Véc tơ mậ t d ộ d ò n g điện mặt ( A /m ) ; n - Véc tư phá p tiivến ngồi củ a bể mặt vật Thì the o ng u y ê n Iv dối lẫn (0.3) ta thấy trưctng bề dẫn mặl vật dẫn từ lý tưcVng phải thóa niãn điổii kiện bờ sau: n„ = o , í ì „ = o, j ; ' = - p x Ẽ ; | Irong (tó Vé (0.5) - véc tư mật đ ộ d ò n g từ mặt ( v / i n ) trị số, mậ t dộ d ò n g từ mặ t có giá trị mh phần tiếp tuyến điện trường trẽn bé mặi vật dẫn từ r ; = E, Biết n g u n tạo trường c ó thể ngu ồn điện (d ịn g diện, điện tích), nguồn lừ (dịng từ, lừ tích), c ó thể bao g m nguồn điệ n từ Vì phương trình Maxvvell trường h ợp tố ng quát viết dạng: rot / / = ' m z „ E + / —m rol E = iùìịxH - / m d ivE = d ìvH (0 ) rr ườ nc íiơp Iigiión (0.1) Iioăc iiOiichi (rường nguổii cliéii ( / hao gổin ngiiổn lừ (./ = :fV" = 0) tliì (0.6) sõ iKt tliànli = ; p' = 0) tliì(0.6) iKt ihàiih (0.2) I.IÍI giai c ủ a ( 6) c ó tlic Iiliậii d ợ c biiiic c c h xôp cliổiiti c c lời giái c ù a ( ) \ (0.2) Vì phưíHig liìnli 111 \ IV cùa liệ phưíiíng nli Max\vcll c ó thc suy dược từ phương liìiili I, II nên ứ dâv klii giái liệ (0.1) (0.2) c húng la chi câii tìm lời giiii thoa mãn hai phương Irìiih đáu Đẽ giái (0.1) la đưa vécKí trung gian véctơ thê điện A T h e o (IV) troiis’ lic {() ) ta có thc \'ict / / = 1 '’ (0.7) Lời giái cua (0.1) có tlie bicu thị qua \ é c t llic diệii Ầ E = dang; + —- ~ - g r a d d i v / \ * (0 8) Đc giai (0.2), ta tlưa véctơ ihẽ từ Á " T he o (lỉl) củ a hệ (0.2) la có; /•= -rol7\"' (0.9) Tương tự, lừi giai (0.2) đirợc hiểu thị cỊiia véctơ từ A / / = -io.n: a dirứi dạng: " + — — g r a d d i\'/V " ( ) í(0|.i 'rrirờng liợp nguồn Irường bao gổni ca nguổii diệii ngiiổii từ, Iihậii dược: — (’ Ị /•' = - ; 1; f,iS ^ 1; < a , < oo; sô' ệ n m ỏ i phức sô tư(mg đôi c ú a môi trườn g đất, bàng: Ct = Et - / —^ ( 11 21 ) ^2 “ ^60/^02 COSn k - bước só n g tro ng m i trườiig k h n g khí T (11 18 ) ( 1 ) ta rút đư ợc q u a n hệ gi ữ a c c t h n h p h ầ n trường ( 11.22) E Iigì l 1+ J F r 1+ (1 ) / ,2 60ẦƠ C đn lưu ý r ằn g d i ề u kiệ n b L ê n t ó v i c h đ ú n g p d ụ n g đ ợ c ih oả m ã n điề u kiện ịcSpl > T (1 2) ta thấ y t h n h p h ẩ n n g a n g c ủ a đ i ệ n tr n g g i ả m kh i t ã n g đ i ệ n d ẫ n đ ất bước s ó n g c ó n g tác Sau k h ả o sát cụ thể hai trư ờn g h ợ p a n t e n d â y đ ặ t g ầ n m ặ t đất; d â y d ả n s ó n g c h y d ây d ầ n s ó n g đứn g * A n ie n d â y só n g c h y A n te n m ộ t d â y d ẫ n đ n gi ản , m ộ t đ ầ u đ ợ c nối với tải h ấ p th ụ c ó g iá trị b ằ n g trở k h n g s ó n g c ủ a d â y d ẫ n , c ò n m ộ t đ ầ u đ ợc nối với m y t h u ( a n t e n m việc c h ế đ ộ thu, hình 11.12) G i ả sử s ó n g m ặ t tr u y ề n tới Huớng sóng đến the o h ớn g d â y d ầ n ( x e m hình vẽ) D o m ặ t đ ất m ô i trư ờn g b án dân, c ó tốn h a o n ên v e c t đ i ệ n £ Máy thu R /} ////////;///////////////■ /■ / / / ///// /// /// /7 77r/777T7^777777/r//7ỉ// trưèíng E n g h i ê n g m ộ t g ó c phía dịc h c h u v ể n c ủ a m ặ t són g Thành phần nằm ngang Hình 11.12 c ả m ứn g lên m ỗ i p h ầ n tử d â y d ẫ n d z m ộ t sức ệ n độ n g Sức điện đ ộ n g n ày c ó giá trị cực đại s ó n g tr u y ề n tới t h e o h n g trục d â y d ẫ n , bă ng khỏrig s ó n g đ ế n t h e o h n g v u ô n g g ó c với d â y dẫn N ế u s ó n g tr uy ền đ ế n theo góc với trục d â y d ẫ n sức đ i ệ n đ ộ n g c ả m ứn g p h ầ n tử tỷ lệ với cosỹ) {