Chương I : ĐẶC TRƯNG HƯỚNG CỦA ANTEN Để làm cơ sở cho việc nghiên cứu tính chất bức xạ một số loại anten ở chương sau, chương này ta đị vào trình bày một đặc trưng quan trọng đó là đặc trưng hướng của nó. Từ lí thuyết trường điện từ ta đã biết biên độ phức của cường độ điện trường của một nguồn bức xạ sóng điện từ tại một điểm tùy ý trong không gian vùng xa có thể viết dưới dạng: IA f ( , ).1) r Trong đó r, 𝜃, 𝜑 – Tọa độ điểm quan sát M trong hệ tọa độ cầu hình 1. 𝑒 𝑖∅(𝜃,𝜑) = 𝑓̇(𝜃, 𝜑) là một hàm phức phụ thuộc vào cấu trúc của Anten. (𝜃, 𝜑) – Pha của trường.
▪ 𝐼𝐴 – Biên độ dòng tại một điểm nào đó trên Anten.1 Định nghĩa: SVTH: Nguyễn Minh Khuê Trang 11 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts. Nguyễn Đức Chánh Hàm 𝑓(𝜃, 𝜑) (tức module của hàm 𝑓̇(𝜃, 𝜑)) xác định sự phụ thuộc của biên độ cường độ trường của anten tại một điểm nằm trong vùng xa và cách đều anten vào hướng quan sát được gọi là đặc trưng hướng của anten. Biểu diễn hình học của đặc trưng hướng trong không gian là mặt cong. Trong thực tế thường gặp các đặc trưng hướng dạng hình xuyến (hình 1.2a), dạng hình kim (hình 1.2b) , dạng hình quạt (hình 1.2 Trường của anten phát sóng phân cực elip có thể biểu diễn dưới dạng tổng trường của hai anten phân cực tuyến tính các vectơ điện 𝐸𝜃 ⃗⃗⃗𝜃 và 𝐸𝜑 𝜑 ⃗ của hai anten vuông góc với nhau lệch pha một góc 𝛿.
Do đó đối với anten phân cực elip ta phải phân biệt đặc trưng hướng theo thành phần 𝜃 và theo thành phần 𝜑 tức 𝑓𝜃 (𝜃, 𝜑) và 𝑓𝜑 (𝜃, 𝜑). Để tiện việc so sánh tính định hướng của các anten khác nhau người ta thường dùng đặc trưng hướng chuẩn hóa. Đặc trưng hướng chuẩn hóa là tỉ số giá trị của đặc trưng hướng 𝑓(𝜃, 𝜑) theo hướng bất kì với giá trị cực đại của nó.2 Các phương pháp mô tả: Đặc trưng hướng không gian (bểu diễn không gian của hàm 𝑓(𝜃, 𝜑)) không tiện lợi cho việc mô tả đặc trưng hướng của anten vì thế người ta thường dùng phương pháp mô tả đặc trưng hướng trên hai mặt phẳng vuông góc với nhau và chứa hướng phát xạ cực đại. SVTH: Nguyễn Minh Khuê Trang 12 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts.
Nguyễn Đức Chánh • Mặt phẳng kinh tuyến ( còn gọi là mặt phẳng E) là mặt phẳng chứa vectơ E. • Mặt phẳng xích đạo (còn gọi là mặt phẳng H) là mặt phẳng chứa vectơ H. Có thể biểu diễn đặc trưng hướng phẳng (hay giản đồ hướng) trong tọa độ cực cho ta thấy được tính định hướng của anten một cách trực quan. Còn đặc trưng hướng trong tọa độ Đecac thì có thể biểu diễn chính xác hơn.
Thông thường đặc trưng hướng có một số cực đại, gọi là đặc trưng hướng có nhiều cánh sóng hình 1. Cánh có hướng phát xạ cực đại lớn nhất gọi là cánh chính (cánh 1 hình 1.3) các cánh còn lại là cánh bên (cánh 2 hình 1.3) hoặc cánh sau (cánh 3 hình 1).3 Ngoài đặc hướng tính theo cường độ trường FE ( , ) người ta còn dùng đặc trưng hướng tính theo công suất FP ( , ) ( đường chấm hình 1.4) FP ( ,) = FE2 ( ,) Độ định hướng của anten tính bằng độ rộng cánh sóng chính theo mức nửa công suất 20,5P hoặc theo mức 0,707 theo trường 20,707 P ( xem hình 1.4) Chương II: SVTH: Nguyễn Minh Khuê Trang 13 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts. Nguyễn Đức Chánh LÍ THUYẾT ANTEN DÂY - ANTEN DẠNG MẶT Để làm cơ sở cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của phân bố biên độ lên đồ thị hướng tính của anten. Trong chương này ta sẽ tìm hiểu cấu tạo nguyên lý làm việc một số loại anten dây, anten dạng mặt và hệ thống anten đồng biên đồng pha sắp xếp rời rạc trên một đường thẳng.1 Dây sóng đứng(chấn tử đối xứng): 2.1 Định nghĩa: Chấn tử đối xứng là đoạn đường dây dẫn thẳng dài 2l, đường kính dây d ở giữa được nối với nguồn cao tần (Hình 2.1 Chấn tử đối xứng tuyến tính được dùng trong hầu khắp các dải sóng, đặc biệt là các dải sóng decimet và các dải sóng dài hơn.
Chúng có thể được dùng để làm các anten độc lập hoặc làm những yếu tố của các thiết bị anten phức tạp hơn. Chấn tử đối xứng thì đối xứng cả về mặt hình học cũng như về các tính chất điện đối với mặt phẳng xích đạo (vuông góc với anten và đi qua tâm của nó).2 Đặc trưng hướng của chấn tử đối xứng: Ta coi chấn tử đối xứng là tập hợp của các lưỡng cực dz. Dòng trên mỗi lưỡng cực có giá trị bằng biện độ dòng của chấn tử tại điểm đặt lưỡng cực đó.2 mô tả anten và các vi phân dz. Trường tổng hợp của các lưỡng cực chính là trường của chấn tử.
Theo chương trước , trường phát xạ của 1 yếu tố dz tại z là : SVTH: Nguyễn Minh Khuê Trang 14 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts. Nguyễn Đức Chánh 𝑒 𝐼(𝑧). sin 𝜃 4𝜋 𝜀 𝑟1 Cường độ trường của yếu tố dz đối xứng qua tâm với yếu tố trên là: 𝑒 𝐼(𝑧). sin 𝜃 4𝜋 𝜀 𝑟2 Ta xét trường ở vùng xa nên có thể coi 𝑟1 // 𝑟2 //𝑟0 nên đối với các thừa số biên độ ta có thể xem 𝑟1 ≈ 𝑟2 ≈ 𝑟0 còn thừa số pha phải thay chính xác 𝑟1 = 𝑟0 – z.cos 𝜃 còn giá trị dòng của chấn tử là: 𝑒 𝐼0 𝐼(𝑧) =.
sin[𝑘(𝑙 − |𝑧|)] sin 𝑘𝑙 Hình 2.2 Trường tổng hợp của 2 yếu tố đối xứng qua tâm là: 𝐼0 𝜇 𝑒 −𝑖𝑘𝑟1 𝑒 −𝑖𝑘𝑟2 dE = i. sin 𝑘𝑙 𝜀 𝑟1 𝑟2 Trường phát xạ của toàn bộ chấn tử là : 𝑙 E = ∫0 𝑑𝐸 Sau khi thực hiện tích phân với các chú ý trên và sử dụng công thức ơle (𝑒 𝛼 + 𝑒 −𝛼 ) cos 𝑥 = ta có: 2 60.sin 𝑘𝑙 sin 𝜃 Khi đó hàm chuẩn hóa của đặc trưng hướng của anten là: cos(𝑘.2) Đối với chấn tử nửa sóng thì : 𝜋 60.3) 𝑟0 sin 𝜃 Và hàm đặc trưng hướng chuẩn hóa: SVTH: Nguyễn Minh Khuê Trang 15 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts. Nguyễn Đức Chánh 𝜋 cos( .4) sin 𝜃 Trên hình 2.3 mô tả một số đặc hướng trong mặt phẳng chứa anten ( mặt phẳng E) ứng với các độ dài khác nhau.3 ta rút ra một số nhận xét : Chấn tử không phát xạ dọc trục (vì trường của từng yếu tố không phát xạ dọc trục). Cường độ điện trường E không phụ thuộc vào tọa độ 𝜑 do vậy đặc trưng hướng trong mặt phẳng H ( mặt phẳng vuông góc với chấn tử) có dạng hình tròn.
Đặc trưng hướng trong mặt phẳng chứa chấn tử (mặt phẳng E) với độ dài 2l khác nhau thì: 𝑙 • Khi 0,5 đặc trưng hướng có dạng số 8, phát xạ cực đại theo phương 𝜆 vuông góc trục chấn tử (𝜃 = ±900 ). 𝑙 • Khi 0,5 < < 1 dòng trên anten có chỗ ngược pha do vậy xuất hiện cánh 𝜆 sóng phụ. 𝑙 • Khi = 1 thì theo hướng vuông góc với trục chấn tử, anten không bức xạ 𝜆 năng lượng (do dòng trên từng cánh chấn tử có phần ngược pha) do vậy đặc trưng hướng có dạng hoa thị ( cánh sóng chính ở hình thứ 3 mất đi, 4 cánh phụ lớn lên thành 4 cánh chính ở hình thứ 4).2 Anten sóng chạy dây đơn: SVTH: Nguyễn Minh Khuê Trang 16 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts. Nguyễn Đức Chánh 2.1Cấu tạo: Là một đoạn dây dẫn thẳng dài cỡ vài bước sóng đặt songsong với mặt đất ở độ cao không lớn lắm, một đầu của anten nối với điện đài , đầu còn lại nối với trở tải (𝑅𝑡 ) bằng trở sóng của đường dây nhằm để duy trì sóng chạy trên dây.
Toàn bộ anten đặt trên một số cột đỡ.2 Nguyên lí làm việc: Giả sử trên anten có tác dụng của sóng điện từ cùng phía với trở tải (𝜑=0). Dưới tác dụng của thành phần nằm ngang (𝐸𝑛𝑔 ) trên mỗi yếu tố của dây sẽ có một sức điện động cảm ứng mà pha biến thiên theo sự chuyển dịch của sóng. Nếu 𝑉𝑝ℎ𝑎 = C thì tại đầu vào máy thu là tổng của mọi sức điện động cảm ứng yếu tố. Nếu sóng điện từ đi từ phía 𝜑 = 1800 thì sức điện động tổng cộng của mọi yếu tố khi đến đầu vào máy thu sẽ bị triệt tiêu.
Vậy anten thu cực đại ở phía tải đến. Khi 0< 𝜑 <900 thì sức điện động trên anten sẽ giảm dần và bằng không khi 𝜑 = 900 ( vì khi đó 𝐸𝑛𝑔 vuông góc với dây). Khi dây dẫn đặt gần sát mặt đất (h << ) thì đặc trưng hướng của anten bị thay đổi. Trong trường hợp mặt đất bán dẫn điện thì hàm đặc trưng hướng của một yếu tố vi phân trên dây dẫn không còn là hình sin nữa mà là gần đúng ta biểu diễn thành hàm cosin khi đó sức điện động ở đầu vào máy thu là: |𝐸𝑑 | 𝐸𝐴 = , .(𝜉 − 𝑐𝑜𝑠𝜑) 2 SVTH: Nguyễn Minh Khuê Trang 17 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts.
Nguyễn Đức Chánh Trong đó 𝜉 – hệ số làm chậm, nếu 𝑉𝑝 = C thì 𝜉 = 1. Do ảnh hưởng của đất nên hướng cực đại của đặc trưng hướng của anten sóng chạy trong 2 mặt phẳng ngang (Hình a) và đứng (Hình b).5b Một số nhận xét: Hiệu quả của anten sóng chạy phụ thuộc chủ yếu vào tham số của đất và độ dài bước sóng. Trên đất ẩm hiệu quả của anten rất thấp (do 𝐸𝑛𝑔 nhỏ). Hiệu quả của anten giảm khi anten làm việc ở dải sóng dài, sóng trung và sóng ngắn.
Anten làm việc hiệu quả lớn khi triển khai trên đất khô và dải sóng mét.2Cấu trúc: Anten gồm một dây xoắn đều bằng dây băng mỏng hoặc ống kim loại. Anten gồm một số vòng xoắn. Một đầu của dây xoắn để tự do, đầu còn lại được nối với phi đơ cấp điện. Các anten xoắn làm việc ở bước sóng = 4 5 cm thường được nuôi bằng phi đơ đồng trục.
Khi đó một đầu dây xoắn được nối với một mặt chắn kim loại (hình 2. Anten xoắn làm việc ở sóng <3cm được nuôi bằng ống sóng chữ nhật với sóng H3. Sóng chạy được truyền đi từ vị trí kích thích dọc theo dây xoắn đến đầu tự do sóng bị phản xạ trở lại. Có thể làm cho SVTH: Nguyễn Minh Khuê Trang 18 sóng tới cũng như sóng phản xạ giảm nhanh bằng cách chọn Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts.
Nguyễn Đức Chánh Hình 2.3 Nguyên lí làm việc: Cấu trúc của ống dẫn sóng xoắn có một số đặc điểm riêng.