MỞ ĐẦU Phần 2: NỘI DUNG Chƣơng 1: Tổng quan về anten Chƣơng 2: Anten metamaterial Chƣơng 3: Phƣơng pháp mô phỏng và thực nghiệm Chƣơng 4: Kết quả và thảo luận Phần 3: KẾT LUẬN 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1. KHÁI NIỆM ANTEN, LÍ THUYẾT BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 1. Khái niệm anten Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài. Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, ra đa điều khiển…cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu.
Trong trƣờng hợp tổng quát, anten cần đƣợc hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lƣợng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trƣờng hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trƣờng hợp anten thu). Hệ thống Hệ thống Hệ thống Hệ thống cung cấp cảm thụ gia công tín bức xạ bức xạ hiệu tín hiệu Anten phát Anten thu Máy phát Thiết bị Thiết bị Máy thu xử lý điều chế Hình 1.1: Hệ thống thu và phát tín hiệu[1] 1. Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ. Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trƣờng hoặc từ trƣờng biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Để ví dụ ta xét 1 mạch dao động thông số tập trung, có kích thƣớc rất nhỏ so với bƣớc sóng, nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ sẽ phát sinh điện trƣờng biến thiên nhƣng điện từ trƣờng này hầu nhƣ không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đƣờng ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện nên năng lƣợng trƣờng bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lƣợng từ trƣờng tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. Năng lƣợng của cả hệ thống sẽ đƣợc bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch.
Nếu mở rộng kích thƣớc của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo ra điện trƣờng biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trƣờng biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đƣờng sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trƣờng xoáy. Theo qui luật của điện trƣờng biến thiên thì điện trƣờng xoáy sẽ tạo ra một từ trƣờng biến đổi từ trƣờng biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trƣờng xoáy hình thành quá trình sóng điện từ.
Phần năng lƣợng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do đƣợc gọi là năng lƣợng bức xạ (năng lƣợng hữu công). Phần năng lƣợng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lƣợng vô công. Hệ phƣơng trình Maxwell. Toàn bộ lý thuyết anten đƣợc xây dựng trên cơ sở những phƣơng trình cơ bản của điện động lực học là các phƣơng trình Maxwell.
Trong phần trình bày này ta sẽ coi các quá trình điện từ là các quá trình biến it đổi điều hòa theo thời gian,nghĩa là theo quy luật sin, cos dƣới dạng phức e E Re( E e it ) E cos(t ) (1.1a) 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1b) Các phƣơng trình Maxwell ở dạng vi phân đƣợc viết dƣới dạng: rotH i p E J e (1.5) E là biên độ phức của vecto cƣờng độ điện trƣờng: (V/m) H là biên độ phức của vecto cƣờng độ từ trƣờng: (A/m) Hệ số điện thẩm phức của môi trƣờng đƣợc tính theo công thức: (1.6) p 1 i ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trƣờng: (F/m) μ hệ số từ thẩm của môi trƣờng: (H/m) σ điện dẫn xuất của môi trƣờng: (Si/m) A J e là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện: ( ) m2 C e là mật độ khối của điện tích: ( ) m3 Biết rằng nguồn tạo ra trƣờng điện từ là dòng điện và điện tích. Nhƣng trong một số trƣờng hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, ngƣời ta đƣa thêm vào hệ phƣơng trình Maxwell các đại lƣợng dòng từ và từ tích. Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ là tƣợng trƣng chứ chúng không có trong tự nhiên. Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phƣơng trình Maxwell tổng quát đƣợc viết nhƣ sau: rotH i p E J e (1.7) 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.10) Giải hệ phƣơng trình Maxwell ta đƣợc nghiệm là E và H.
Trong phƣơng trình nghiệm đó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền. Các thông số cơ bản của anten Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây [3]: - Trở kháng vào - Hiệu suất - Hệ số định hƣớng và độ tăng ích. - Đồ thị phƣơng hƣớng. - Công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng.
- Tính phân cực - Dải tần của anten. Trở kháng vào của anten Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten: UA (1.11) ZA R A jX A IA Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thƣớc hình học của anten và trong một số trƣờng hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten. Thành phần thực của trở kháng vào RA đƣợc xác định bởi công suất đặt vào anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe: 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.12) RA I Ae Thành phần kháng của trở kháng vào của anten đƣợc xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trƣờng hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đƣờng dây truyền sóng. Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lƣợng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.
Hiệu suất của anten Anten đƣợc xem nhƣ là thiết bị chuyển đổi năng lƣợng, do đó một thông số quan trọng đặc trƣng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten A chính là tỷ số giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đƣa vào anten Pvào hay PA: Pbx (1.13) A PA Hiệu suất của anten đặc trƣng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối với anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó A < 1.Gọi công suất tổn hao là Pth PA Pbx Pth (1.14) Đại lƣợng công suất bức xạ và công suất tổn hao đƣợc xác định bởi giá trị điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có: PA I Ae 2 .RA I Ae 2 Rbx Rth (1.15) Từ biểu thức (1.13) ta viết lại thành: Pbx Rbx (1.16) A Pbx Pth Rbx Rth c. Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích Nhƣ đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau ngƣời ta đƣa vào thông số hệ số hƣớng tính (hệ số định hƣớng) và hệ số tăng ích (hệ 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com số khuếch đại hoặc độ lợi).
Các hệ số này cho phép đánh giá phƣơng hƣớng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tƣởng (hoặc anten chuẩn) Anten lý tƣởng là anten có hiệu suất A = 1, và năng lƣợng bức xạ đồng đều theo mọi hƣớng. Anten lý tƣởng đƣợc xem nhƣ một nguồn bức xạ vô hƣớng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bƣớc sóng. Hệ số định hƣớng của anten D(,) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ anten có hƣớng tính sang anten vô hƣớng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cƣờng độ trƣờng tại điểm thu ứng với hƣớng (,) nào đó: Pbx (1 , 1 ) E 2 (1 , 1 ) (1.17) D(1 , 1 ) Pbx (0) E 2 (0) Trong đó: D( 1 , 1 ) là hệ số định hƣớng của anten có hƣớng ứng với phƣơng ( 1 , 1 ); Pbx( 1 , 1 ) và Pbx(0) là công suất bức xạ của anten có hƣớng tính ứng với hƣớng ( 1 , 1 ) và công suất bức xạ của anten vô hƣớng tại cùng điểm xét. E( 1 , 1 ), E(0) là cƣờng độ trƣờng tƣơng ứng của chúng.
Điều này có nghĩa là phải tăng lên D( 1 , 1 ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten vô hƣớng để có đƣợc trƣờng bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(1 , 1 ). Hệ số tăng ích của anten G(,) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hƣớng sang một anten vô hƣớng để sao cho vẫn giữ nguyên cƣờng độ trƣờng tại điểm thu theo hƣớng đã xác định (,): Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trƣng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten.18) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định hƣớng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính đƣợc Pbx theo công thức sau: Pbx PA .18) 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten Mọi anten đều có tính phƣơng hƣớng nghĩa là ở một hƣớng nào đó anten phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hƣớng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức xạ, không thu đƣợc sóng điện từ.
Vì vậy vấn đề là phải xác định đƣợc tính hƣớng tính của anten. Hƣớng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hƣớng nhƣ đã phân tích ở trên còn đƣợc đặc trƣng bởi đồ thị phƣơng hƣớng của anten.