Đề tài nghiên cứu khoa học anten

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 .Đây là một trong những hướng bức x

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, khoa học công nghệ phát triển như vũ bão trên mọilĩnh vực với hàng loạt những nghiên cứu, phát minh mới đã góp phần không nhỏ trongviệc nâng cao trình độ sản xuất và đời sống của con người Một trong những lĩnh vựcđược đánh giá là có triển vọng nhất và được coi là thế mạnh của Việt Nam hiện nayphải kể đến viễn thông, nó làm cho con người xích lại gần nhau hơn, làm cho khoảngcách địa lý không còn ý nghĩa nữa.

Đóng góp vào sự phát triển mạnh mẽ nói trên chúng ta phải nói đến sự phát triểncủa các thiết bị thu phát và khả năng truyền lan sóng điện từ hiện nay, bởi lẽ hầu hếtcác hệ thống truyền dẫn thông tin, liên lạc chúng đều sử dụng phương thức truyền lansóng điện từ là chủ yếu.

Các thiết bị thu phát và chuyển tiếp sóng điện từ gọi chung là anten Tuỳ theođiều kiện công tác, mục đích sử dụng cũng như kết cấu của các hệ thống viễn thông màta sử dụng nhiều loại anten khác nhau: anten chấn tử, anten khe, anten mạch dải, antengương, anten xoắn…

Do nhu cầu thông tin, liên lạc, truyền tải dữ liệu ngày càng cao nên các băng tầnở dải sóng dài, sóng trung dần dần bị thay thế bởi các băng tần ở dải sóng ngắn và cựcngắn Với lợi thế là khả năng bức xạ tốt ở các dải sóng này cùng với kết cấu tương đốiđơn giản, dễ dàng điều chỉnh và kết hợp với các loại anten khác để tạo thành một hệbức 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 củachấn tử đối xứng nhằm tìm ra được giá trị giới hạn độ dài chấn tử sao cho hướng tínhcủa nó còn đạt cực đại ở hướng  900.Đây là một trong những hướng bức xạ quantrọng 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 xứngII Mô hình toán

III Đặt vấn đề

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 dẫnchúng em trong quá trình nghiên cứu, đồng thời, chúng em cũng xin chân thànhcảm ơn Ths Phạm Việt Hưng đã đóng góp những ý kiến quý báu để giúp chúngem có thể hoàn thành được đề tài này.

Mặc dù đã cố gắng để hoàn thiện báo cáo này, nhưng sẽ không tránh khỏi nhữngthiếu sót Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô vàcác bạn sinh viên quan tâm đến vấn đề này để xây dựng nên một đề tài hoànthiện 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( hìnhtrụ, 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 mongmuốn 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 vàbình phương dòng điện trên chấn tử: P= I².R

 Trở kháng vào: là đại lượng đặc trưng cho trị số của chấn tử đóng vai trò là tảikhi nó được mắc vào máy phát cao tần.

 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích: là các thông số đánh giá hướng tính củamỗi anten bằng cách so sánh anten ấy với anten chuẩn mà đặc tính của nó đãbiết trước Hai thông số này thể hiện đầy đủ cả đặc tính phương hướng và sự tổnhao công suất trên chấn tử.

 Độ dài hiệu dụng: là độ dài của một anten dây giả định có dòng điện phân bốĐộ dài hiệu dụng:

đồng đều với biên độ bằng biên độ dòng điện tại điểm cấp điện của anten khảosát,khi thoả mãn điều kiện bằng nhau về cường độ trường ở hướng bức xạ cựcđại.

kl1 os

÷ç ÷ç ÷çè ø

 Ngoài ra một vấn đề quan trọng nữa không thể không nhắc đến khi nghiên cứuvề chấn tử đối xứng là phải xác định trường bức xạ tạo bởi hệ thống dòng điệnvà dòng từ có cường độ phụ thuộc vào hướng khảo sát.Ta gọi hàm số đặc trưngcho sự phụ thuộc của cường bức xạ theo hướng khảo sát ứng với bán kính của

điểm khảo sát không đổi là hàm phương hướng của hệ thống bực xạ, và được kíhiệu là f ,.

Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu sự phụ thuộc của đặc tính phương hướng vàothông số độ dài của anten chấn tử đối xứng

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, , ) Khi khảo sát trường vùng xa ta luôn có

Hình 1: Biểu diễn chấn tử đối xứng trong tọa độ cầu

Theo quy ước như ở hình vẽ trên, góc  được xác định bởi hình chiếu của R

trên mặtphẳng x0y và 0x

, còn góc  được xác định bởi góc giữa R và 0z , tức là mặt phẳng

Từ hình vẽ ta thấy rằng:

 Hàm phương hướng của anten chấn tử đẳng hướng với mặt phẳng vuông gócvới trục của chấn tử (mặt phẳng φ).).

 Hàm phương hướng bức xạ bằng không tại θ=00 hoăc θ=1800.

 Đặc tính hướng chỉ xác định trong mặt phẳng chứa trục của chấn tử và phụ

thuộc vào chiều dài l.

Vậy ta có hàm phương hướng của anten chấn tử được xác định bởi :

 

 

  : dipol điện 03 90 

l 0.5

  : chấn tử nửa sóng 03 80 

l 1

  : chấn tử toàn sóng 03 44 

l 1.25

  : trường hợp giới hạn 03 31 

Khi đó đồ thị phương hướng của anten chấn tử đối xứng có dạng như hình vẽ dưới đây:

a: l/λλ ≈ 0 (Trường hợp dipol điện).

b: l/λλ=0.5

c: l/λλ=1

d: l/λλ=1.25

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 thịλ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồ thịphương hướng của dipol điên (hình 2.b), chỉ khác là nó có độ rộng hẹp hơn (sosánh 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 tạobởi các dipol thành phần (anten là tập hợp của các dipole) Khi độ dài l/λ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồ thịλ rấtnhỏ, dòng điện ở mọi điểm trên anten đồng pha nhau Đồng thời vì có thể coikhoảng cách từ các dipol đến các điểm khảo sát bằng nhau nên trường bức xạcủa các dipol riêng rẽ sẽ đồng pha và được cộng đại số với nhau Biên độ trườngbức xạ của dây dẫn ở các điểm trong không gian đều tăng lên một số lần giốngnhau so với cường độ trường bức xạ của một dipol điện riêng rẽ Vì vậy mà đồthị phương hướng của anten không khác so với đồ thị phương hướng của dipolđiện.

- Đồ thị phương hướng của nó hẹp hơn là do sai pha khoảng cách giữa các dipolthành phần.

 Khi tăng dần độ dài anten (trong giới hạn vẫn đảm bảo đồng pha dòng điện trênanten, nghĩa là l/λ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồ thịλ ≤ 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 xatheo hướng vuông góc với anten sẽ bằng tổng đại số cường độ trường của cácdipole điện riêng rẽ, vì theo hướng này không có sai pha khoảng cách Bức xạđược tăng cường theo hướng = ±90º Khi dịch chuyển điểm khảo sát khỏihướng này sẽ xuất hiện sai pha khoảng cách Cường độ trường tại điểm khảosát trong trường hợp này sẽ nhỏ hơn trường ở hướng = ±90º Tổng vecto sẽgiảm nhanh nếu điểm khảo sát càng dịch chuyển xa hướng = ±90º.

 Khi tăng độ dài anten qúa giới hạn một bước sóng (l>λ) sẽ xuất hiện khu vựcλ) sẽ xuất hiện khu vựcdòng điện ngược pha.Đồ thị phương hướng có xu thế hẹp lại nhưng đồng thời sẽxuất hiện các cực đại phụ (hình 2.d, 2.e) Sự xuất hiện các cực đại phụ là do bứcxạ theo hướng vuông góc với trục dây dẫn của các dipol thuộc khu vực dòngđiện ngược pha sẽ bị triệt tiêu bởi bức xạ của các dipol thuộc khu vực dòng điệnmang dấu dương, vì theo hướng này không có sai pha khoảng cách nhưng saipha dòng điện bằng  Nếu dịch chuyển điểm khảo sát khỏi hướng  = ±90º thìsẽ xuất hiện góc sai pha khoảng cách của trường tạo bởi các dipol thuộc hai khuvực nói trên.Ta có thể tìm được hướng  mà theo hướng đó sai pha khoảngcách của trường tạo bởi hai khu vực dòng điện sẽ bằng  Tổng sai pha củatrường sẽ bằng 2, nghĩa là trường bức xạ tạo bởi các dipol thuộc hai khu vựcdòng điện ngược pha sẽ trở nên đồng pha nhau, và ở hướng đó sẽ xuất hiện cựcđại phụ.

 Tiếp tục tăng độ dài dây dẫn thì cường độ trường theo hướng = ±90º sẽ giảm(do ảnh hưởng bức xạ của các dipol có dòng điện ngược pha gây ra), đồng thờibiên độ cực đại phụ sẽ tăng.

  tức là hàm phương hướng đạt cực đại ở  900, và giá trị θ3 càng nhỏ,búp sóng chính càng hẹp (hình 2.a, 2.b, 2.c và 2.d).

 =2 ( hình 2.f) thì cực đại chính theo hướng  900 còn bị triệt tiêu hoàntoàn.

 Thực tế khi nghiên cứu chấn tử đối xứng thì hướng  900có ý nghĩa rất quantrọng, nó quyết định đến hiệu quả của quá trình thu và phát anten, chẳng hạnmột anten không đối xứng (monopole) đặt thẳng đứng trên mặt đất, khi coi gầnđúng mặt đất là mặt dẫn điện thì hệ thống gồm anten không đối xứng và ảnh củanó được xem là một chấn tử đối xứng sẽ cho bức xạ cực đại ở hướng  900,tức là bức xạ cực đại trong mặt phẳng nằm ngang, phù hợp với các ứng dụng lantruyền 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 củathông số l

 , ta gọi là ( l

 )gh mà khi l

 còn nhỏ hơn giá trị này thì hàm phươnghướng của chấn tử còn đạt cực đại ở  900, nhưng khi nó vượt qua giới hạnnày thì đồ thị phương hướng ở góc  900 sẽ bị suy giảm so với các hướngkhác

 Theo những quan sát về sự thay đổi của hàm bức xạ trên trên hình vẽ (hình 2)thì giá trị ( l

)gh sẽ nằm trong khoảng từ 1.25 đến 1.5 Vì trong khoảng đóhướng bức xạ  900 ta cần nghiên cứu có sự nhảy bậc (chuyển từ còn đạt cựcđại sang không đạt cực đại thậm chí còn bị triệt tiêu hoàn toàn) Vậy giá trị cụ

thể này sẽ là bao nhiêu? Câu hỏi này vẫn chưa có câu trả lời chính xác! Mà tachỉ biết được rằng chỉ tồn tại một giá trị ( l

)gh trong khoảng từ 1.25 đến 1.5. Mặt khác thì theo hình vẽ ta cũng thấy rằng trong khoảng biến đổi của l

 , từ rấtnhỏ (0) đến giá trị giới hạn, độ rộng búp sóng chính θ3 ( hay 2θ1/λ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồ thị2 ) (là góc tạobởi hai hướng mà tại đó công suất bức xạ suy giảm một nửa so với hướng bứcxạ cực đại) cũng thay đổi theo Vậy quy luật biến đổi của θ3 theo l

 như thếnào? Đây cũng là một câu hỏi chưa có lời giải đáp! Chỉ biết rằng khi l

 thay đổithì θ3 cũng thay đổi theo?

 Chúng ta sẽ trả lời các câu hỏi trên bằng cách giải quyết hai bài toán dưới đây: Bài toán thứ nhất: Tính giá trị ( l

 )gh.

 Bài toán thứ hai : xác định quy luật biến đổi của độ rộng búp sóng chính theo độdài l

 Hay 3 f( )l

 với l

 thay đổi từ 1.25 đến giá trị tới hạn.

IV GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ1.Xác định giới hạn Xác định giới hạn l

 .

Để xác định được giới hạn này, trước hết ta căn cứ vào đồ thị phương hướngcủa chấn tử đối xứng như đã vẽ ở phần II Ta có thể thấy rằng giá trị giới hạn của l

 sẽnằm trong khoảng từ 1.25÷ 1.5 Đây là khoảng giá trị mà đặc tính phương hướng củachấn tử thay đổi hướng cực đại Như đã nói ở trên, việc tìm giá trị giới hạn này tương

đương với việc tìm ra được một hướng khác hướng  900 để đồ thị phương hướng củachấn tử còn đạt cực đại như ở hướng  900 Hay nói một cách khác, tại giá trị giới hạn

biến đổi từ 1.25÷1.5) với giá trị cực đại củanó tại  900 Khi hai giá trị này bằng nhau tức là ta đã giải quyết xong bài toán trên Dưới đây chúng ta sẽ sử dụng Matlab, với câu lệnh như sau:

 )gh

L =1.25; % đặt giá trị L= l

 ;teta=1:0.01:89;

while tyso<1;L = L +0.01;

tetar=teta.*pi./180;f90=1-cos(pi.* L);

tuso=cos(pi.* L.*cos(tetar))-cos(pi.* L);mauso=sin(tetar);

tyso=(a./f90);

ketqua_L = L- 0.01

Kết quả thu được L= l

= 1.44, =>λ) sẽ xuất hiện khu vực ( l

)gh= 1.44 Kết quả này tính chính xác đến 0.01.nếu muốn tăng độ chính xác chỉ cần thay đổi tăng bước nhảy trong câu lệnh trên Kết quả này sẽ được biện luận ở phần IV Biện luận và đánh giá kết quả.

2 Xác định hàm θ3= fl

   

Với bài toán này chúng ta có thể giải quyết được theo ba cách sau:

 Biểu diễn dưới dạng đồ thị (phương pháp này rất trực quan, thể hiện rõ ràng sựphụ thuộc θ3 vào l

L=i*0.01

f90= 1-cos(pi*L)

teta=90

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:

Hình 3: Sự phụ thuộc của độ rộng búp sóng chính θ3 theo l

b Biểu diễn sự phụ thuộc của góc θ3 theo l

 như trong bảng sau:

Khi chạy chương trình ta không dung lệnh vẽ đồ thị mà mà để các giá trị in ra theotừng hàng tương ứng với từng cặp độ dài và góc, sau đó ta có thể biểu diễn gọn chúnglại như bảng dưới (bảng 1).

Clear %Xóa bộ nhớ.disp('nhap vao 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);

while a> 0.7071teta= teta-0.01;tetar=teta*pi/λ180;

tuso= cos(pi*L.*cos(tetar))- cos(pi*L);mauso=sin(tetar);

f=tuso./λmausoa= abs(f./λf90);end

disp('goc teta 3 can tim la=');disp(2.*(90-teta)); %hiển thị kết quả

Với chương trình này chạy trong matlab thì ứng với mỗi giá trị l

 ta sẽ nhận đượcmột giá trị kết quả ứng với góc q3 Dưới đây là một vài giá trị cụ thể (bảng 2)

θ3 89.54 88.12 85.74 82.38 78.08 72.94 67.12 60.84

θ3 54.34 47.84 41.54 35.50 32.62 29.82 24.50 22.48

V BIỆN LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

1 Bài toán thứ nhất: tìm giá trị giới hạn l

Với giá trị giới hạn của l

 thu được như trên là 1.44 (tính chính xác đến 0.01) Điềunày có nghĩa là khi l

 ≤ 1.44 thì đồ thị phương hướng vẫn đạt cực đại ở hướng  900

b: l

c: l =1.45

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:

=1.45 (hình 4.c) thì hàm đạt cực đại ở hướng  900 Như vậy đã có sựđột biến của hướng bức xạ cực đại tại giá trị l

 =1.45 Như vậy kết quả tìm được l

 =1.44 chính là giá trị giới hạn cần tìm: ( l

 )gh=1.44

2 Bài toán thứ hai: xác định hàm θ3= fl

   .

 Từ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc θ3= fl

  

  ( hình 3 ) ta có thể nhận thấy mộtcách trực quan rằng khi giá trị l

 tăng thì độ rộng búp sóng chính giảm.

 Kết quả cũng tương tự khi ta biểu diễn bằng bảng, hay một hàm (đã dẫn chứngmột số kết quả ở bảng 2 so với bảng 1) Với bảng 1 đã lập được ta có thể tra cứumột cách dễ dàng các giá trị của θ3 khi l

 thay đổi từ 0 đến giá trị tới hạn.

 So sánh với các số liệu đã có [1] với kết quả tính toán được ta nhận thấy giữachúng có sự sai lệch Rõ ràng là kết quả đã tính toán được ở trên có độ chính xác

 Việc giải quyết hai bài toán này đã trả lời cho những câu hỏi giá trị ( l

 )gh là bao

nhiêu? quy luật biến đổi của θ3= fl

  

  như thế nào? Mà từ trước tới nay nó chỉ

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 vẫnđạt cực đại ở góc θ= ±90º thì việc thiết kế ra các anten chấn tử có khả năng bứcxạ tốt sẽ trở nên thuận tiện, dễ dàng hơn.

 Việc phối ghép anten chấn tử với nhau sẽ cho hiệu quả cao nhất khi ta biết đượchướng tính của mỗi anten, ta sẽ tạo ra một hệ thống thu phát sóng điện từ đápứng 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 dàithích hợp, sao cho nó có khả năng bức xạ tốt nhất sóng điện từ Đáp ứng nhu cầutruyền 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/λ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồ thị~ orfanidi/λ nhỏ, đồ thị phương hướng có dạng gần giống đồ thị ewa, 2004