2 3 Trường bức x
2.4 Kỹ thuật cấp nguồn cho anten
Việc lựa chọn cấp nguồn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất là hiệu suất truyền n ng lượng giữa phần bức x và phần cấp nguồn tức là phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai phần với nhau. Ngoài ra, việc chuyển đổi trở kh ng bước, việc uốn cong cũng làm ph t sinh bức x rò và suy hao sóng mặt. Các bức x không mong muốn này làm t ng bức x phụ trong đồ thị bức x của anten. Việc giảm thiểu bức x rò và những ảnh hưởng của nó l n đồ thị bức x là một trong những yếu tố quan trọng đ nh gi việc cấp nguồn có tốt hay không. Cấp nguồn bằng c p đồng trục
Luận v n th c s 44 Trong trường hợp này toàn bộ dòng I1 chảy ở trong lõi của c p được tiếp cho một vế chấn tử, còn dòng I2 chảy ở mặt trong của vỏ cáp s phân nhánh thành dòng I’2 tiếp cho vế thứ hai của chấn tử và dòng I’’2 chảy ra mặt ngoài của vỏ cáp. Vì biên độ của dòng I1 và I2 giống nhau (|I1| ≠ |I’2) ngh a là không thực hiện được việc tiếp điện đối xứng cho chấn tử Trong khi đó dòng I’’2 chảy ở mặt ngoài của vỏ cặp s trở thành nguồn bức x ký sinh, không những gây hao phí n ng lượng mà còn làm méo d ng đồ thị phương hướng của chấn tử.
ể giảm bớt sự mất đối xứng khi tiếp điện cho chấn tử đối bằng c p đồng trục, có thể thắc mắc chấn tử đối với c p theo sơ đồ phối hợp kiểu Г (hình 12a). Nếu chấn tử có độ dài bằng nửa bước sóng thì điểm giữa O của chấn tử đối s là điểm bụng dòng điện và nút điện p do đó nó có thể được coi là điểm gốc điện thế. Vì vậy việc nối trực tiếp O với vỏ c p điện s không làm mất tính đối xứng của chấn tử. Dây dẫn trong của c p được nối với chấn tử ở điểm có trở kháng phù hợp với trở kháng sóng của fide. Trong thực tế để thuận tiện trong việc điều chỉnh phối hợp trở kháng giữa fide và chấn tử, có thể mắc thêm tụ điều chuẩn như v ở hình 12b.
Thông thường để thực hiện tiếp điện đối xứng cho chấn tử đối xứng cho chấn tử bằng c p đồng trục, cần có thiết bị chuyển đổi mắc giữa fide và chấn tử. Thiết bị chuyển đổi này được gọi là thiết bị chấn tử đối xứng.
Bộ biến đổi đối xứng dùng đoạn cáp chữ U
Sơ đồ của bộ biến đổi được v ở hình tên hình v
Trong trường hợp này hai nhánh chấn tử không nối trực tiếp với vỏ và lõi của fide tiếp điện được chuyển đổi qua một đo n cáp.
Hình 13a là sơ đồ bộ biến đổi đối xứng hình chứ U, dùng tiếp điện cho chấn tử nửa sóng đơn giản. Fide tiếp điện được mắc vào điểm c, có khoảng cách tới hai đầu vòng chữ U bằng l1 và l2 khác nhau nửa bước sóng (l2 – l1 = λ’/2 λ’ là bước sóng trong c p đồng trục). Trở kháng t i đầu cuối a, b của vòng chữ U có giá trị bằng nhau và bằng một nửa trở kháng vào của chấn tử đối xứng. Trở kháng phản ánh từ đầu cuối a, b về điểm c qua gia đo n l1 và l2 s có giá trị bằng nhau Dòng điện của
Luận v n th c s 45 fide tiếp điện s phân thành hai nh nh có bi n độ bằng nhau (|I1|=|I2|) chảy về hai phía của vòng chữ U tiếp cho hai nhánh của chấn tử. Vì khoảng cách từ c tới a và b khác nhau nửa bước sóng nên dòng I1 và I2 t i điểm đầu vào chấn tử đã được hình thành các dòng giống nhau như dòng điện được đưa tới từ hai nhánh của đường dây song hành.
Hình 13 Cấu trúc biến đổi đối xứng dùng đoạn cáp chữ U
ể triệt ti u dòng điện chảy ra mặt ngoài vỏ cáp, t i đầu cuối của vòng chữ U, vỏ c p được nối ngắn m ch và tiếp đất Thường đo n cáp chữ U có trở kháng sóng bằng trở kháng sóng của fide tiếp điện còn đo n l1 được chọn thế nào để thỏa
mãn điều kiện phối hợp trở kháng t i điểm c đảm bảo chế độ sóng ch y cần thiết trong fide tiếp điện. Nếu coi gần đúng trở kháng vào của chấn tử nửa sóng bằng 70 ôm đồng thời nếu l1 = λ’/4 thì trở kháng phản ảnh từ a về c cũng như từ b về c bằng:
2 2 1 2 70 140 35 bo R R R
Trở kháng phản ảnh R1, R2 được coi như mắc song song t i c nên trở kh ng vào đây s là: 140 70 2 c R (2.25)
Luận v n th c s 46 Nếu fide tiếp điện có trở kháng 70 thì việc phối hợp trở kh ng được coi là hoàn hảo, với hệ só sóng ch y trong fide gần bằng 1 (k1).
Trường hợp tiếp điện cho chấn tử vòng dẹt thì để thực hiện phối hợp trở kháng cần chọn l1 = 0. (hình 13b) Trở kháng chấn tử vòng dẹt bằng 292 ôm do đó 292 2 ao bo R R (2.26) Ta có trở kháng vào t i c 73 2 ao c R R (2.27)
Dùng fide tiếp điện có trở kháng sóng (70 75) thì hệ số sóng ch y trong fide cũng gần s gần bằng 1.
Bộ biến đổi đối xứng hình ốc
Hình 14a là sơ đồ bộ biến đổi đối xứng kiểu cốc λ/4 Trong trường hợp này cáp tiếp điện được đặt vào cốc kim lo i và vỏ c p được nối với cốc t i chỗ cáp xuy n qua đ y cốc. Với kết cấu như tr n ta s nhận được 1 đo n c p đồng trục mới mà vỏ cáp bây giờ là ống trụ - cốc kim lo i, còn lõi cáp là vỏ của c p đồng trục tiếp điện o n c p đồng trục này được ngắn m ch một đầu, t i đấy cốc. Nếu độ dài của cốc bằng λ/4 thì trở kháng vào của đo n c p đồng trục mới s có giá trị lớn vô cùng (Zab ). Do đó dòng điện chảy ra mặt ngoài của cáp tiết điện s bằng không. Bộ biến đổi đối xứng dùng cốc kim lo i λ/4 như khảo sát ở trên có dải tần công tác hẹp vì khi bước sóng công t c thay đổi độ dài của cốc s khác một phần tư sóng do đó s xuất hiện dòng điện chảy ra mặt ra mặt ngoài và ảnh hưởng đến việc tiếp điện đối xứng cho chấn tử ể mở rộng dải tần công tác có thể sử dụng sơ đồ lưỡng cốc (hình v 14b) Trong sơ đồ này được sử dụng thêm một đo n c p đồng trục đặt trong cốc kim lo i tương tự như kết cấu đã khảo sát ở phần trước nhưng đ y cốc ở
Luận v n th c s 47 phía trên. Hai cốc kim lo i phía tr n và dưới có thể gắn liền với nhau thành một ống trụ kim lo i có lỗ hở để đưa dòng điện ra tiếp cho chấn tử.
Bây giờ chúng ta l i coi như có hai đo n ống đồng trục mới mà vỏ là cốc kim lo i còn ruột là vỏ ngoài của c p đồng trục tiếp điện (phần dưới) và vỏ ngoài đo n cáp phụ (phần trên).
Hình 14 Cấu trúc biến đổi đối xứng sử dụng cốc kim loại
Hai đo n ống đồng trục này có độ dài bằng nhau và được ngắn m ch đầu cuối (đ y cốc) Dòng điện ở đây trong của fide tiếp điện s là tổ hợp của dòng I1 (chảy trên một nhánh chấn tử) và dòng I’1 chảy vào ống đồng trục tr n Dòng điện ở mặt trong của vỏ cáp tiếp điện được phân nhánh thành dòng I2 (chảy trên nhánh thứ hai của chấn tử) và dòng I’2 chảy vào ống đồng trục phía dưới. Hai ống đồng trục phía tr n và phía dưới có độ dài bằng nhau nên trở kh ng vào cũng có gi trị như nhau Do đó I’1 = I’2 và kết quả s nhận được dòng điện tiếp cho hai nhánh chấn tử bằng nhau I1 = I2.
Hình v 14c là sơ đồ chấn tử đối xứng kiểu cốc và một nhánh chấn tử là vỏ cốc kim lo i λ/4 được tiếp điện bằng dòng điện chảy ở mặt trong của cáp còn một nh nh là đo n ống kim lo i hình trụ có cùng đường kính với vỏ cốc kim lo i và được tiếp điện bởi dòng chảy ở lõi cáp.
Luận v n th c s 48
Bộ biến đổi đối xứng kiểu khe
Một lo i cấu trúc khác của thiết bị biến đổi đối xứng là bộ biến đổi khe được v ở hình v . Hình v 15a là khe khe không đối xứng còn hình v 15b là khe đối xứng Trong c c sơ đồ này vỏ c p đồng trục ở đo n cuối được xẻ làm hai nửa ng n cách nhau bởi một khe hẹp. Dây dẫn trong của c p được nối ngắn m ch với một trong hai nửa của vỏ cáp ở đầu cuối (trong trường hợp khe không đối xứng), hoặc nối ngắn m ch ở khoảng giữa đo n c p có khe (trong trường hợp khe đối xứng). Hai nhánh của chấn tử đối xứng nối vào hai nửa của vỏ cáp.
Hình 15 Cấu trúc biến đổi đối xứng kiểu khe
Biết rằng sóng truyền lan trong c p đồng trục là lo i sóng TEM, có dòng điện chảy dọc. Vì vậy nếu khe đặt dọc theo trục cáp thì nó s không cắt đường sức dòng điện Nhưng khi nối ngắn m ch dây trong và ngoài ngh a là ngắn m ch sóng TEM bởi một đo n dây thì dòng điện ngang chảy trong đo n dây ấy s trở thành nguồn t o ra các sóng bậc cao trong cáp (chủ yếu là sóng H11). Sóng bậc cao thường không truyền lan được trong c p vì có bước sóng tới h n nhỏ còn dòng điện ngang xuất hiện kèm theo với các sóng trên s kích thích cho khe dọc trên vỏ cáp. Kết quả là ở mặt ngoài của vỏ c p đồng trục s xuất hiện dòng điện ngang (hình v 15c). Khi mắc hai chấn tử vào hai nửa vỏ ngoài của vỏ ngoài c p đồng trục ng n c ch bởi khe có thể xem có thể được xem như hai nh nh của một đường dây song hành. Nếu
Luận v n th c s 49 độ dài khe được chọn bằng λ/4 (đối với khe không đối xứng) hoặc bằng λ/2 (đối với khe đối xứng) thì trở kháng vào t i hai điểm mắc chấn tử s lớn vô cùng và không ảnh hưởng gì đến tính đối xứng của chấn tử Sơ đồ dùng khe nửa sóng có ưu điểm hơn so với sơ đồ khe phần tư sóng không đối xứng vì tr nh được bực x từ đầu cuối c p đồng trục ồng thời, việc phối hợp trở kháng giữa fide cung cấp và chấn tử có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách chọn vị trí thích hợp của điểm ngắn m ch giữa dây trong và ngoài.
Bộ biến đổi đối xứng dùng cáp phụ
Là một kết cấu kh đơn giản cho phép biến đổi đối xứng tốt trong dải sóng mét và đ ximet Nguy n lý làm việc của bộ biến đổi đối xứng lo i này có thể giải thích qua ví dụ ở hình 16a
Vỏ ngoài của c p đống trục tiếp điện và đo n cáp phụ có kích thước giống nhau t o thành một vòng khuy n mà trong đó đo n cáp phụ và đo n gián tiếp điện có độ dài bằng nhau.
Luận v n th c s 50 T i chỗ hở của vòng khuyên, dây dẫn trong của c p đồng trục được nối với đo n cáp phụ. Chấn tử được mắc vào hai điểm a – b t i khoảng hở giữa hai nửa vòng khuy n Dòng điện chảy từ mặt trong của vỏ ngoài cáp tiếp điện s phân nhánh t i a thành dòng I1 chảy vào nhánh chấn tử và dòng I’1 chảy ra mặt ngoài vỏ cáp tiếp điện. Dòng chảy vào dây trong của cáp tiếp điện s là tổ hợp của dòng I2 chảy trên nhánh thứ hai của chấn tử vòng I’2 chảy từ mặt ngoài của đo n cáp phụ tới Vì dòng điện chảy ở dây trong và ở mặt trong của cỏ c p đồng trục có giá trị bằng nhau nên: I1 I1' I2 I2'
Dòng I’1 và I’2 có giá trị bằng nhau so sự đối xứng hình học của vòng khuyên và của tải mắc vào nó. Từ đó ta có dòng I1 = I2 ngh a là dòng điện tiếp cho hai nhánh chấn tử s có bi n độ bằng nhau Như vậy bộ biến đổi đối xứng dùng đo n cáp phụ có tính đến tổn hao trong vật dẫn thì trở kháng vào t i a – b s là thuần kháng và gần bằng trở kháng vào của đường dây song hành nối tắt có độ dài bằng một nửa độ dài vòng khuyên bằng
4
thì trở kháng vào của vòng khuyên s
rất lớn, không ảnh hưởng tới tải, đồng thời dòng I’1 và I’2 s rất nhỏ khiến có thể coi dòng điện tiếp cho hai nhánh chấn tử chính bằng dòng điện chảy ở đây trong và dây ngoài của cáp tiếp điện. Trong thực tế, bộ biến đổi đối xứng dùng đo n cáp phụ có thể được thực hiện dưới d ng đo n cáp thẳng như hình v 16b Trong trường hợp này, vỏ ngoài đo n cáp phụ và vỏ ngoài cáp tiếp điện có đường kính bằng nhau, t o thành một đo n dây song hành ngắn m ch đầu cuối. Nguyên lý biến đổi đối xứng của kết cấu này cũng tương tự như nguy n lý của kết cấu vòng khuy n đã khảo sát ở trên. Nếu độ dài đo n cáp phụ bằng
4
thì trở kháng vào t i a – b s lớn vô cùng và
hai nhánh chấn tử s được tiếp điện đối xứng bởi dòng điện chảy ở dây trong và dây ngoài của cặp tiếp điện.
Kết luận chƣơng 2: Trong chương 2 ta tìm hiểu về anten monopole. Phân tích cấu
t o nguyên lý ho t động đ nh gi c c tham số của anten monopole cùng với c c k thuật cấp nguồn cho anten monopole.
Luận v n th c s 51
CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG ANTEN MONOPOLE HOẠT ĐỘNG Ở BĂNG TẦN VHF TẠI TẦN SỐ 160MHZ 3.1 Phần mềm mô phỏng HFSS
HFSS (Hight Frequency Structure Simulator) là phần mềm mô phỏng trường điện từ theo phương ph p toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất k thiết bị thụ động 3D nào. Ưu điểm nổi bật của nó là có giao diện người dùng đồ họa. Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lời giải) trong một môi trường dễ dàng để học trong đó lời giải cho c c bài to n điện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác.
Hình 17 Giao diện chính của phần mềm HFSS
3.2 Mục đích thiết kế
Ngày nay cùng với sự ph t triển của nghành hàng hải thì y u cầu thông tin trong hàng hải ngày càng cao hơn ể nâng cao chất lượng m ng lưới thông tin hàng hải phục vụ li n l c giữa c c tàu thuyền tốt hơn cũng như bảo đảm an toàn trong l nh vực này người ta chú trọng cải thiện bộ thu ph t được lắp đặt tr n tàu thuyền. Trong các bộ thu phát tín hiệu anten đóng vai trò quan trọng, do vậy để cải
Luận v n th c s 52 thiện chất lượng bộ thu ph t thì một trong số những biện ph p được chú trọng ưu ti n đó là cải thiện chất lượng của anten Trong ph m vi của luận v n này s phân tích, thiết kế, mô phỏng anten monopole ho t động ở 160Mhz, phục vụ cho hệ thống thông tin Hàng hải.
3.3 Thiết kế
tưởng: Thiết kế Anten sử dụng trong thông tin hàng hải Lý do lựa chọn:
- Lựa chọn thiết kế Anten ho t động trong c c b ng tần được quy định dùng trong thông tin hàng hải: lựa chọn thiết kế Anten ho t động ở tần số 160 MHZ nằm trong b ng tần VHF được dùng trong thông tin hàng hải và được ứng dụng trong c c trang thiết bị nhằm phục vụ c c mục đích li n l c hàng hải sau:
+ Thiết bị vô tuyến điện Thoại VHF:
Ho t động tr n dải tần 156 -174 MHz c c k nh song công cho việc li n l c tàu - bờ và c c k nh đơn công cho tàu - tàu và gọi thường