8. Giảng viên biên soạn
4.2. Tiếp điện và phối hợp trở kháng cho chấn tử đối xứng
a: bán kính thực của lồng l: chiều dài của dây dẫn n: Số sợi dây kết thành lồng r: bán kính của dây
Trong một số trường hợp lồng có thể là chấn tử lưỡng chóp ρA = 120 ln(cotg
2
4.2 TIẾP ĐIỆN VÀ PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG CHO CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG
- Chấn tử đơn giản được ứng dụng phổ biến nhất là chấn tử nửa sóng ( 2
λ =
l ).Để tiếp điện cho chấn tử ở dải sóng cực ngắn có thể dùng dây song hành hoặc cáp đồng trục,còn ở dải sóng ngắn có thể dùng dây song hành.
I. Tiếp điện cho chấn tử bằng dây song hành Trở kháng vào của chấn tử
2
λ
từ (73÷75Ω) nếu chấn tử được tiếp điện bởi dây song hành thì trở kháng của dây song hành là (200 ÷ 600Ω). Nếu dẫn trực tiếp không đảm bảo phối hợp trở kháng khi này hệ số sóng chạy trong phi đơ sẽ thấp.Để khắc phục nhược điểm này có thể chế tạo các đường dây song hành đặc biệt có trở kháng thấp
Trở kháng sóng của đường dây song hành được xác định bởi: ρd = ' 276 ε ln d D 2 (Ω) (4-4) Trong đó :
D:khoảng cách giữa 2 dây tín từ tâm d: đường kính dây
ε’: hằng số điện môi tương đối của môi trường bao quanh dây Để giảm trở kháng sóng của dây song hành có thể giảm tỷ số
d D
( nghĩa là tăng đường kính dây dẫn hoặc giảm khoảng cách giữa các dây) hoặc bao bọc dây bởi điện môi có ε’ lớn.
Thực tế khoảng cách D không thể giảm nhỏ tùy ý vì còn quan hệ tới điện áp của dây .Ở dải sóng ngắn,người ta dùng dây song hành có trở kháng sóng thấp bằng cách kết cấu của dây dùng những lõi bên thì tăng đường kính dây.Mặt khác người ta cũng chế tạo đường dây song hành có khoảng cách nhỏ được bao bọc
bởi điện môi ε’ lớn và bọc kim loại bên ngoài các loại dây song hành này,thường có trở kháng là 75Ω.Điều đó tiện cho việc tiếp điện cho chân tử ở dải sóng ngắn và cực ngắn.
Nhược điểm của loại dây song hành này điện áp chui đựng thấp.Điện áp đặt nên Umax không quá 1kv.Vì vậy loại phi đơ này chỉ dùng cho thiết bị thu phát công suất nhỏ 1) Chấn Tử Kiểu Y: Hình 4.2: Chấn tử kiểu Y
Sơ đồ trên cho phép phối hợp tốt giữa chấn tử nửa sóng và phi đơ song hành.Đây là cơ sở tiếp điện song song ,còn gọi là sơ đồ phối hợp kiểu Y.Trong trường hợp này chấn tử được nối ngắn mạch ở giữa.Dây song hành được mắc ở 2 điểm A-A của chấn tử.Điểm nối A-A được chọn sao chao đảm bảo việc phối hợp trở kháng giữa phi đơ và điểm tiếp điện.
(hb) là sơ đồ tương đương của (ha).Chấn tử được coi tương đương như hai đoạn dây song hành mắc song song tại A.Trong đó đoạn hở mạch dài l2 và đoạn
A A l1 l1 l2 l2 D O O C D A A l2 l1 = - l2 4 λ (h.a) (h.b)
Trở kháng vào tại điểm A – A : ZAA = 2 1 2 1 z z z z + (4-5) Trong đó:
Z1: trở kháng vào của đoạn ngắn mạch dài l1 Z2: trở kháng vào của đoạn ngắn mạch dài l2
Nếu tính đến bức xạ của dây dẫn thì các trở kháng z1z2 có thể biểu thị dưới dạng sau:
Z1 = RΣ1+ jρAtgkl1 (4-6) Z2 = RΣ2 - jρAcotgkl2 (4-7) Ở đây:
RΣ1: điện trở bức xạ của đoạn chấn tử dài 2l1 tính theo dòng điện ở tiếp điểm (A-A)
RΣ2:điện trở bức xạ của đoạn chấn tử dài 2l2 cũng tính đối
với dòng điện ở điểm tiếp điện (A-A)
ρA: Trở kháng sóng của chấn tử
Phần ảo trong biểu thức (4-6) và (4-7) là điện kháng vào của đoạn dây song hành ngắn mạch và hở mạch
Thay biểu thức z1 và z2 vào (5-5) và chú ý rằng kl1+kl2 = 900 ta có:
2 1 1 2 1)( ) ( 1 ∑ ∑ ∑ ∑ + − + = R R tgkl j R tgkl j R ZAA ρA ρA (4-8)
Vì phần thực trong các biểu thức của trở kháng z1 và z2 khá nhỏ so với phần ảo nên có thể bỏ qua chúng trong tỷ số của (5-8)
Ta có: 0 2 2 1 AA AA tg kl Z R R ρ ∑ = = (4-9)
Ở đây: R∑0 = RΣ1+ RΣ2 là điện trở bức xạ toàn bộ của chấn tử tính đối với dòng điện ở điểm tiếp điện
* Xác định R∑0 : biết dòng điện phân bố trong chấn tử theo quy luật IZ = Ibsink(
2
l
Ib: là dòng điện ở điểm bụng sóng đứng Trong trường hợp đang khảo sát l = λ2 nên :
IZ = Ibsink( 4
λ
-|Z|) = IbcoskZ
Dòng điện ở điểm tiếp điện sẽ bằng: I0 = IAA = Ibcoskl1
Cân bằng biểu thức công suất bức xạ của chấn tử tính theo dòng điện ở điểm bụng (P∑b =
2 1
Ib2R∑b) và công suất bức xạ tính dòng điện ở điểm tiếp điện (P∑0= 2 1 I02R∑0) Ta có: Ib2R∑b = I02R∑0 Từ đây ta rút ra: R∑0 = R∑b 2 2 0 b I I (4-10) Trong đó: R∑b là điện trở bức xạ của chấn tử ( R∑b= 73.1Ω) Thay (4-10) vào (4-9) sẽ nhận được:
2 2 1 AA sin 73.1 V kl R ≈R ≈ ρ (4-11) Nhận xét:
- Như vậy trở kháng vào của chấn tử tại điểm tiếp điện A-A được coi gần đúng điện trở thuần và trị số của nó phụ thuộc vào vị trí điểm tiếp điện.
- Đoạn phi đơ tam giác mắc giữa chấn tử và phi đơ tiếp điện chính trong trường hợp tổng quát có thể có trở kháng sóng bằng trở kháng sóng của phi đơ chính. Do mất tính đối xứng nên đoạn phi đơ này không chỉ dẫn sóng,truyền sóng mà còn bức xạ. Như vậy bức xạ của anten bao gồm bức xạ của đoạn dây dẫn có l =
2
λ
và bức xạ của đoạn phi đơ tam giác dài D. Nếu bỏ qua hiệu ứng bức xạ của đoạn phi đơ tam giác đồng thời coi trở kháng sóng của đoạn phi đơ chuyển tiếp này bằng trở kháng sóng của phi đơ chính thì việc phối hợp trở kháng giữa chấn tử và phi đơ song hành có
đổi trở kháng RAA thích hợp với trở kháng sóng của phi đơ chính.Ở dải sóng ngắn và cực ngắn nếu dùng phi đơ có trở kháng 600Ω để tiếp điện cho chấn tử
2
λ
thì các độ dài l1 và D có thể xác định gần đúng như sau: 2 l1 = 0.12λ
D = 0.15λ
Nếu trở kháng sóng của phi đơ nhỏ hơn 600Ω thì cần giảm bớt l1
Sơ đồ phối hợp kiểu Y cho phép phối hợp tốt chấn tử và phi đơ song hành ở một tần số cố định không cần mắc thêm phần tử điều chỉnh phụ.
2) Chấn Tử Kiểu T Hình 4.3: Chấn tử kiểu T 4 λ l1 l1 D A A C O O (h.a) (h.b) A A O O
Sơ đồ tiếp điện song song kiểu T như (ha) còn (hb) là mạch tương đương. Nguyên lý làm việc của sơ đồ kiểu T tương tự nguyên lý làm việc của sơ đồ kiểu Y. Tuy nhiên trong trường hợp này đoạn phi đơ chuyển tiếp OA đã trở thành đoạn dây dẫn song song với chấn tử nên cần phải tính đến sự khác biệt về trở kháng sóng với phi đơ chính và cũng không thể bỏ qua hiệu ứng bức xạ. Trở kháng vào của chấn tử sẽ có giá trị max khi điểm A chuyển dịch tới đầu mút của chấn tử ( l1 =
4
λ
).Tuy nhiên để xét một cách hợp lý thì đầu vào chấn tử trong trường hợp này cần phải được coi là tại A-A biến đổi qua đoạn phi đỏ chuyển tiếp OA. Có thể chứng minh được rằng trở kháng vào tại O-O sẽ đạt max khi l1 =
8
λ
và giảm dần khi tiếp tục tăng l1 đồng thời trị số của trở kháng này có thẻ biến đổi khi thay đổi tỉ lệ các đường kính d1; d2 và khoảng cách D giữa chúng.
Nếu dùng dây song hành có trở kháng sóng 600Ω để tiếp điện cho chấn tuer nửa sóng thì các kích thước được xác định như sau:
d1 = d2 D = (0,01 ÷ 0,02)λ l1 = (0,09 ÷0,1)λ 3. Chấn Tử Vòng Dẹt: Hình 4.4: Chấn tử vòng dẹt Khi dịch chuyển điểm AA ra tới đầu nút chấn tử sơ đò phối hợp kiểu T sẽ trở thành chấn tử vòng dẹt. trong
d1 d2 A A D
2
λ
O Olà chấn tử nhánh. Phi đỏ tiếp điện mắc vào điểm giữa một trong hai chấn tử còn chấn tử thứ 2 được ngắn mạch ở giữa. sơ đò tương đương của hệ thống sẽ là một đoạn dây song hành ngắn mạch tại C đầu vào là hai điểm O-O, từ sơ đồ tương đương hai chấn tử nhánh được kích thích bởi các dòng điện đồng pha, bụng dòng điện nằm tại điểm giữa chấn tử còn nút dòng điện tại A-A.
Trường hợp bức tổng tạo hai phần tử tương ứng nhau trên các chán tử 1 và 2 sẽ bằng trường bức xạ tạo bởi một phần tuer nhưng có dòng điện gấp đôi. Vì vậy khi tính trường bức xạ ở khu xa ta có thể thay thế chấn tử vòng dẹt bởi một chấn tử nửa sóng đối xứng mà dòng điện trong đó bằng tổng dòng điện trong hai chấn tử nhánh tại mỗi vị trí tương ứng. xác định điện trở vào của chấn tử vòng dẹt nếu gọi R∑oo là điện trở bức xạ của chấn tử vòng dẹt tính đối với dòng điện ở điểm tiếp điện thì công suất bức xạ của chấn tử vòng dẹt là:
P∑= 2 1
I02 R∑oo (*) Trong đó: I0 là dòng điện ở diểm tiếp điện.
Mặt khác nếu ta coi chấn tử vòng dẹt như một chấn tử nửa sóng đối xứng có dòng điện lớn gấp 2 lần so với dòng điện mỗi chấn tử nhánh thì công suất bức xạ:
P∑= 2 1
(2I0)2 R∑o (**)
Ở đây: R∑o= R∑b= 73,1Ω là điện trở bức xạ của chấn tử nửa sóng vi trong trường hợp này đầu vào chấn tử trùng với điềm bụng dòng điện. So sánh (*) và (**)
Ta có: R∑oo= 4 R∑o= 292Ω
Như vậy điện trở vào của chấn tử vòng dẹt đã tăng 4 lần so với điện trở của chấn tử nửa sóng thường.
Điện kháng vào của chấn tử vòng dẹt có giá trị khá nhỏ có thể bỏ qua. Khi dùng dây song hành có trở kháng sóng 300 Ω để tiếp điện cho chấn tử vòng dẹt thì có thể nhận được hiệu quả phối hợp cao với hệ số sóng chạy trong phiđơ gần bằng 1 mà không cần mắc các phần tử phối hợp.
Tương tự trường hợp chấn tử kiểu Y và T,điện trở vào taikj O-O của chấn tử vòng dẹt cũng có thể được coi là điện trở tại đầu cuối A-A của chấn tử nửa sóng biến đổi qua đoạn phiđơ chuyển tiếp OA
Điện trở vào của chân tử vòng dẹt xác định theo công thức. Roo = 73,1(1+ 2 2 lg 1 2 lg d D d D )2
Nếu d2 > d1 thì điện trở vào chấn tử tăng so với điện trở vào cực chấn tử vòng dẹt thường ( d2 = d1 )
Ngược lại nếu d1 >d2 thì điện trở vào giảm
4. Chấn Tử Khung Vuông
Hình 4.5
Tổng chiều dài chấn tử cũng bằng λ giống như chấn tử vòng dẹt nhưng hai
nhánh chấn tử không đặt gần nhau mà cách nhau một khoảng là
4
λ
tạo thành một khung hình vuông.Chấn tử khung vuông có thể được tiếp điện bằng dây song hành mắc vào điểm giữa của cạnh hoặc mắc vào góc (hb).
Trong cả hai trường hợp trường bức xạ của chấn tử đều là trường cực hóa ngang.Điều này có thể dễ dàng nhận thấy khi phân tích chiều dòng điện trên các cạnh của khung biểu thị bằng các mũi tên như hình vẽ.Từ hình vẽ ta thấy rằng
A A C λ/4 λ/4 ha) hb) A A C λ/4 λ/4
đồng pha nhau.Điện trở vao của chấn tử khung có giá trị khoảng 120Ω.Điểm C trên chấn tử khung trùng với điểm bụng của dòng điện ( hay là điểm nút điện áp).Do đó có thể nối trực tiếp với giá đỡ không cần cách điện.
5) Chấn Tử Omega
Hình vẽ 4.6
Chấn tử ômega là sơ đồ biến dạng của sơ đồ hình T.Đối chiếu với sơ đồ hình T thì trong trường hợp này đoạn phiđơ chuyển tiếp chính là một bộ phận của chấn tử (OA).Còn đoạn ngắn mạch AA là một đường dây nhánh mắc song song chấn tử.
Về mặt hình thức kết cấu thì ômega giống T nhưng thực chất đặ tính thì khác nhau.Để khảo sát ta xét sơ đồ tương đương (hb),lúc này chấn tử tương đương một đoạn dây song hành hở mạch còn dây nhánh tương đương một đoạn dây song hành ngắn mạch.Khá với sơ đồ phối hợp kiểu T,trong trường hợp này trở kháng vào của đoạn dây ngắn mạch có thể thay đổi được không phụ thuộc vị trí điểm A bằng cách chọn kích thước của đoạn dây nhánh thích hợp.Do đó sơ đồ (hb) có thể trở thành sơ đồ phối hợp dải rộng khi đoạn dây nhánh có thể điều chỉnh được trở kháng vào tại AA trong dải tần,còn đoạn OA có kích thước thích hợp để biến đổi trở kháng tại A-A về đầu vào chấn tử cho phù hợp trở kháng sóng của phiđơ.
Sơ đồ chấn tử ômega được áp dụng rộng rãi để thiếp lập các chấn tử dải rộng ở dải sóng ngắn và cực ngắn.Khi lựa chọn các kích thước của chấn tử và dây nhánh một cách thích hợp có thể thực hiện tốt việc phối hợp giữa chấn tử và phiđơ trong dải sóng với hệ số bao trùm khoảng 4 lần ( từ λmax =3.5l đến λ
min=0.75l và với hệ sóng chạy trong phiđơ không thấp hơn 0.3 *) Kết cấu của chấn tử ômega ở dải sóng cực ngắn
A A O O C ha) A A O O C
~
hb)
Hình vẽ 4.7
*)Kết cấu của chấn tử ômega ở dải sóng ngắn
Hình vẽ 4.8
II.Tiếp điên cho chấn tử đối xứng bằng cáp đồng trục
Phần trên ta đã khảo sát vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng cho chấn tử đối xứng bằng dây song hành.Như ta đã biết dây song hành là loại phiđơ đối xứng.Vì vậy việc tiếp điện cho chấn tử có thể thực hiện khá đơn giản không cần thiết bị chuyển đổi.Tuy nhiên khi tần số làm việc tăng thì hiệu ứng bức xạ của dây song hành cũng tăng,dẫn đến tổn hao năng lượng và méo dạng đồ thị phương hướng của chấn tử.Vì vậy để tiếp điện cho chấn tử đối xứng ở dải sóng cực ngắn người ta thường dùng cáp song hành ( dây song hành có vỏ bọc kim loại) hoặc cáp đồng trục.
Tiếp điện và phối hợp trở kháng cho chấn tử đối xứng bằng cáp đồng trục có hai trường hợp:
l
- Trường hợp phải dùng bộ biến đổi đối xứng
1. Tiếp điện và phối hợp trở kháng cho chấn tử đối xứng bằng cáp đồng trục không dùng thiết bị chuyển đổi.
Hình vẽ 4.9
Toàn bộ dòng điện I1 chaye trong lõi cáp được được tiếp điện cho một vế (nhánh chấn tử)
Dòng I2 chảy ở mặt trong vỏ cáp sẽ phân nhannhs thành I2’ tiếp điện cho nhánh cho nhánh thứ 2 của chấn tử cong dòng I2’’chảy ở mặt ngoài vỏ cáp.
Vì biên độ dòng I1 và I2 giống nhau nên biên độ của dòng điện tiếp cho cả hai vế sẽ khác nhau I1 khác I2’ nghĩa là không thực hiện được việc tiếp điện đối xứng cho chấn tử.Trong khi đó dòng I2’’ chảy ở mặt ngoài của vỏ cáp sẽ trở thành nguồn bức xạ ký sinh không ngừn gây hao phi năng lượng mà còn gây méo dạng tín hiệu của chấn tử.
Để giảm bớt sự mất đối xứng khi tiếp điện cho chấn tử bằng cáp đồng trục có thể mắc chấn tử với cáp theo sơ đồ phối hợp kiểu T
I
2’’ ’I
2’’ ’I
2’ ’I
1’ ’I
1* ’I
2 ’ Nếu chân có độ dài bằng nửa bước sóng thì điểm giữa O cực chấn tử sẽ là
điểm bụng dòng điện nút điện áp,do đó nó có thể coi là điểm gốc điện thế.Vì vậy
việc nối trực tiếp O với vỏ cáp tiếp điện sẽ sẽ không làm mất tính đối xứng của
chấn tử.Dây dẫn trong cáp được nối với chấn tử ở điểm có trở kháng vào phù
hợp với trở kháng sóng của phiđơ (giống sơ đồ tiếp điện kiểu Y ở trên) h1
Hình vẽ 5.10
Thực tế để tiện cho việc điều chỉnh phối hợp trở kháng giữ phiđơ và chấn tử
