Bài giảng kỹ thuật ăng ten

NHẬP MƠN I Vị trí chủ yếu anten kỹ thuật vơ tuyến điện -Có hai cách truyền lượng sóng điện từ khơng gian: Cách 1: Dùng hệ thống truyền dẫn: hệ dẫn sóng điện từ đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại điện mơi v.v… Sóng điện từ truyền lan hệ thống thuộc loại sóng điện từ ràng buộc (khơng tự do) Cách 2: Bức xạ sóng khơng gian: sóng truyền dạng sóng điện từ tự do(khơng bị ràng buộc) Với cách người ta dùng thiết bị để xạ sóng điện từ khơng gian bên ngồi thu nhận sóng điện từ từ khơng gian bên ngoài, thiết bị gọi anten Đã hệ thống vơ tuyến điện có nghĩa hệ thống có sử dụng sóng điện từ, mà sử dụng sóng điện từ định phải sử dụng anten để xạ sóng điện từ thu sóng điện từ Có hai loại anten: anten thu anten phát Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc fide thành sóng điện từ tự xạ không gian Anten thu có nhiệm vụ ngược lại với anten phát, nghĩa tiếp nhận sóng điện từ tự từ khơng gian bên ngồi biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng truyền theo fide tới máy thu (Giữa máy phát anten phát máy thu anten thu không nối trực tiếp với mà ghép với qua đường truyền lượng điện từ gọi fide) Yêu cầu thiết bị anten-fide phải thực việc truyền biến đổi lượng với hiệu suất cao khơng gây méo dạng tín hiệu Ngồi ra, tùy theo yêu cầu cụ thể hệ thống vô tuyến điện mà anten lại có yêu cầu nhiệm vụ cụ thể đáp ứng với hệ thống II Q trình vật lý xạ sóng điện từ -Nguyên lý chung: Bất kỳ hệ thống điện từ có khả tạo điện trường từ trường biến thiên có xạ sóng điện từ Tuy nhiên thực tế xạ xảy điều kiện định -Ví dụ: có mạch dao động tập trung(khơng xạ sóng điện từ) hình sau đây:  M a) c) b) d) Hình 1 Nếu đặt vào mạch sức điện động biến đổi khơng gian tụ điện phát sinh điện trường biến thiên, cịn khơng gian cuộn cảm phát sinh từ trường biến thiên Ta thấy lượng từ trường biến thiên cuộn dây chuyển hóa thành lượng điện trường biến thiên tụ điện, ngược lại, lượng điện trường biến thiên tụ điện lại chuyển hóa thành lượng từ trường biến thiên cuộn cảm, rõ ràng điện từ trường khơng xạ ngồi mà bị ràng buộc với phần tử mạch Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn khoảng không gian hai má tụ điện nên lượng điện trường bị giới hạn khoảng khơng gian Cịn lượng từ trường tập trung chủ yếu thể tích nhỏ lịng cuộn cảm Năng lượng hệ thống bảo tồn khơng có tổn hao nhiệt dây dẫn điện môi mạch Nếu mở rộng kích thước tụ điện(như hình b) dịng điện dịch(được biểu thị hình vẽ trùng với đường sức điện trường) không dịch chuyển khoảng không gian hai má tụ điện mà phận lan tỏa mơi trường bên ngồi truyền tới điểm nằm cách xa nguồn(nguồn điện trường điện tích biến đổi hai má tụ điện) Nếu mở rộng kích thước tụ điện(như hình 1c) dịng điện dịch lan tỏa nhiều tạo điện trường biến thiên với biên độ lớn khoảng không gian bên Điện trường biến thiên truyền lan với tốc độ ánh sáng Khi đạt tới khoảng cách xa nguồn chúng khỏi ràng buộc với nguồn, nghĩa khơng cịn liên hệ với điện tích hai má tụ điện Thật vậy, ta quan sát đường sức điện trường gần tụ điện thấy chúng khơng tự khép kín mà có điểm bắt đầu điện tích hai má tụ điện Do giá trị điện trường điểm nằm đường sức biến thiên đồng thời với biến thiên điện tích tụ điện Nhưng xét điểm M cách xa nguồn thấy thời điểm đó, điện trường điểm M đạt tới giá trị định lúc điện trường hai má tụ điện lại biến đổi qua giá trị Khi đường sức điện khơng cịn ràng buộc với điện tích mà chúng phải tự khép kín khơng gian, nghĩa hình thành điện trường xốy(hình 1c) Theo qui luật điện trường biến thiên điện trường xốy tạo từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ta điện trường xốy, nghĩa hình thành q trình sóng điện từ Phần lượng điện từ khỏi nguồn truyền khơng gian tự gọi lượng xạ hay lượng hữu công Phần lượng điện từ ràng buộc với nguồn dao động gần nguồn, khơng tham gia vào việc tạo thành sóng điện từ, gọi lượng vô công Như ta thấy hệ thống xạ điện từ có hiệu hệ thống mà điện trường từ trường biến thiên có khả thâm nhập nhiều vào khơng gian ngồi Từ ta thấy hệ thống điện từ biểu thị hình 1c xạ có hiệu hệ thống hình 1b III Ngun lý Huyghen Dịng điện mặt dòng từ mặt tương đương Một toán lý thuyết anten xác định véc tơ E H điện trường xạ an ten điểm nằm khơng gian bao quanh anten Nói cách khái qt: Một vật dẫn điện có dịng điện biến thiên chảy qua điểm bề mặt vật dẫn có điện trường biến thiên từ trường biến thiên biểu thị véc E H, có nghĩa có lực điện trường lực từ trường(tất nhiên lực biến thiên) Vậy không gian bao quanh vật dẫn có điện trường từ trường biến thiên, điểm mặt kín có hình dạng bao quanh vật dẫn có điện trường biến thiên từ trường biến thiên biểu thị vecto E H có nghĩa có lực điện trường lực từ trường(tất nhiên lực biến thiên) Để giải xác tốn phải xác định xác qui luật phân bố dịng điện điện tích tren anten, nghĩa cần xác định phân bố thực nguồn trường không gian Đây vấn đề toán học phức tạp Chỉ số trường hợp thật đơn giản ta xác định phân bố thực nguồn trường, tìm lời giải xác tốn xạ Thực tế cho thấy nhiều trường hợp toán xạ an ten giải phương pháp gần Khi dựa vào số sở vật lý biết để suy qui luật phân bố biên độ pha dòng điện anten, sau tiến hành giải tốn xạ với qui luật giả định Cũng giải tốn xạ anten theo cách khác, nghĩa khơng cần dựa vào phân bố nguồn thực không gian mà cần vào phân bố biên độ pha thành phần tiếp tuyến điện từ trường mặt kín S bao quanh nguồn trường (Hình 2) E Hn E En S Et n H S Ht Ht Anten a) b) _ (JS)m = [ E  n ] Anten _ e (JS) = [ n  H ] Hình Phương pháp xây dựng dựa nguyên lý Huyghen sau: ta coi mặt sóng tập hợp vơ số nguồn nguyên tố thứ cấp(nguyên tố Huyghen) Các nguyên tố xạ hình thành mặt sóng Khi ấy, trường tạo nguồn thực điểm khơng gian coi trường giao thoa, mà trường giao thoa tạo nguồn thứ cấp phân bố mặt kín S bao quanh nguồn thực Sau khảo sát nội dung tóm tắt nguyên lý này: Giả sử nguồn xạ(anten) đặt không gian vô hạn Cường độ trường xạ biểu thị vecto E H Ta bao mặt kín S tùy ý quanh anten (hình ) Các vecto E H mặt S phân tích thành hai thành phần: thành phần tiếp tuyến thành phần pháp tuyến bề mặt S E = Et + En ; H = Ht + Hn Do tính chất tuyến tính phương trình MacXoen, ta khảo sát riêng biệt hai trường hợp ứng với hai cặp vecto mặt S, sau xếp chồng kết nhận Trường hợp 1: Mặt S, có thành phần trường Ht En Các thành phần lại ( Et = ; Hn = ) Trường hợp 2: Mặt S, có thành phần trường Et Hn Các thành phần lại ( Ht = ; En = ) Trong trường hợp thứ mặt S coi mặt dẫn điện lý tưởng có thành phần tiếp tuyến từ trường thành phần pháp tuyến điện trường Khi coi mặt S có dòng điện mặt với mật độ ( JS)e Trong trường hợp thứ mặt S coi mặt dẫn từ lý tưởng có thành phần tiếp tuyến điện trường thành phần pháp tuyến từ trường Khi coi mặt S có dịng từ mặt với mật độ ( JS)m Các dòng điện mặt dòng từ mặt nói dịng mặt tương đương Khi biết dịng mặt tương đương ta xác định trường xạ theo phương pháp vecto Như vậy, việc xác định trường tạo dòng điện nguồn thực thay việc xác định trường tạo dòng mặt tương đương mặt S Áp dụng nguyên lý này, nhiều trường hợp ta giải tốn xạ anten cách đơn giản, nghĩa xác định trường xạ anten mà khơng cần biết phân bố thực dịng điện điện tích anten CHƯƠNG IV BỨC XẠ CỦA DỊNG ĐIỆN VÀ DỊNG TỪ TRONG KHƠNG GIAN TỰ DO CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG BỨC XẠ 4.1 Trường xạ dòng điện dòng từ không gian tự z  r M  i R y O iR Hình 4-1 V x Giả thiết có thể tích V có dịng điện dòng từ phân bố với mật độ khối Je Jm tương ứng( xem hình 4-1) Thế trường dịng xác định qua vecto sau: Ae,m =  Je,m  V eikr dV (4-1) r r khoảng cách tính từ điểm tích phân(phần tử thể tích dV) đến điểm khảo sát M (điểm M điểm cần xác định vecto Ae,m ) Để khảo sát đặc tính trường dòng người ta chia hai khu khu gần khu xa - Khu gần miền bao quanh hệ thống dịng, có bán kính r nhỏ so với bước sóng (r, ta bỏ qua chậm pha trường điểm khảo sát, trường khu mang đặc tính lan truyền khu xa cịn gọi khu sóng, hay khu xạ Với hình 4-1 ta phải chọn gốc tọa độ O hệ tọa độ vng góc hệ tọa độ cầu, điểm O chọn thể tích V để khoảng cách cực đại từ điểm đến mặt bao thể tích V khơng vượt q nửa đường kính D lớn thể tích V(D khoảng cách cực đại hai điểm nằm mặt bao thể tích) - Từ hình 4-1 ta có: R = r +   r = R   r =  R2 + 2  2.R .cos  (4-2) - Để xác định trường khu gần tất nhiên ta phải áp dụng cơng thức (4-2) để tính r -Khi xác định trường hệ thống dòng khu xa (với điều kiện 