CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG BỨC XẠ THẲNG - ANTEN SÓNG CHẠY NHIỀU CHẤN TỬ 1. Khái quát về hệ thống bức xạ thẳng và anten sóng chạy Thông thường, để thiết lập anten có đồ thị phương hướng hẹp, hoặc anten có bức xạ đơn hướng người ta thường tổ hợp hệ thống bức xạ từ các nguồn đơn giản sắp xếp trong không gian. Các nguồi đơn giản này có thể là chấn tử điện hoặc đipôl điện (anten dây), chấn tử từ hoặc đipôl từ (anten khe) hoặc các loại anten đơn giản khác.
Khi ấy, trường bức xạ của hệ thống sẽ là kết quả giao thoa của trường bức xạ của các phần tử riêng biệt với góc pha khác nhau. Góc pha này phụ thuộc vào độ dài đường đi của các tia bức xạ, hướng khảo sát, góc pha dòng điện của các phần tử bức xạ. Bằng cách xếp đặt các phần tử trong không gian và tiếp điện cho chúng một cách thích hợp, chúng ta sẽ nhận được đồ thị phương hướng hẹp. Hệ thống các phần tử bức xạ có thể sắp xếp trong không gian theo đường thẳng, theo mặt phẳng hay theo khối.
Hệ thống thẳng Hệ thống thẳng là hệ thống bức xạ mà các phần tử bức xạ có tâm pha nằm trên đường thẳng (gọi là trục của hệ thống). Để khảo sát, ta chọn gốc toạ dộ trùng với tâm pha của phần tử thứ nhất (hình 1. Hệ thống bức xạ thẳng Lê Quang Toàn 6 Luận văn Thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Giả sử hệ thống gồm N phần tử cùng loại đặt cách đều nhau với khoảng cách d. Các phần tử được kích thích bởi các dòng có quan hệ bởi In a n an ei n (1.1) I1 Áp dụng định lý nhân đồ thị phương hướng để tính ta được hàm phương hướng tổ hợp của hệ là N f N( , ) f 1( , ) e i ( n 1) (1.2) với kd cos n 1 Giới hạn biến đổi của là kd kd Tâm pha của hệ nằm ở chính giữa hệ thống ( N 1)d zo (1.3) 2 Hàm phương hướng biên độ tổ hợp bằng N sin 2 f KN (1.4) sin 2 Hướng cực đại chính của đồ thị phương hướng được xác định từ phương trình cos M (1.5) kd Anten sóng chạy Khi =- d (góc pha dòng điện của các phần từ biến đổi theo qui luật sóng chạy), biểu thị hệ số pha của sóng chạy.
Hệ số pha có quan hệ với vận tốc pha của sóng chạy biểu thị bởi biểu thức Lê Quang Toàn 7 Luận văn Thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại học Công nghệ - ĐHQGHN c k k (1.6) v v: vận tốc góc pha của sóng chạy giả định c: vận tốc sóng trong không gian tự do Ta có kd kd ( cos ) (1.7) Vận dụng các giá trị này vào công thức tính ta nhận được biểu thức của hàm phương hướng biên độ tổ hợp chuẩn hoá kL sin ( cos ) 2 FKN (1.9) kd sin (1 cos ) 2 Dạng đồ thị hàm biên độ tổ hợp chuẩn hoá và giới hạn xác định của nó được vẽ ở hình 1. Trường hợp đơn giản nhất khi bức xạ của các phần tử trong mặt phẳng khảo sát là vô hướng, đồ thị phương hướng của hệ thống sẽ được xác định chỉ bởi hàm tổ hợp. Hướng của cực đại chính phù hợp với hướng =0o không phụ thuộc vào khoảng cách d. Lê Quang Toàn 8 Luận văn Thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại học Công nghệ - ĐHQGHN |FKN| min=0 max=2kd (0) 0 /2 =180o =0o 1 2.
Đồ thị phương hướng tổng quát của anten sóng chạy 1. Anten dẫn xạ (anten Yagi) Anten Yagi là một loại anten sóng chạy, sơ đồ của anten được vẽ ở hình 1. Nó gồm 1 chấn tử chủ động thường là chấn tử nửa sóng, một chấn tử phản xạ thụ động, và một số chấn tử dẫn xạ thụ động. Thường các chấn tử phản xạ và dẫn xạ được gắn trực tiếp với thanh đỡ kim loại.
Nếu chấn tử chủ động là chấn tử vòng dẹt thì nó cũng có thể Lê Quang Toàn 9 Luận văn Thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại học Công nghệ - ĐHQGHN được gắn trực tiếp với thanh đỡ kim loại và khi đó kết cấu anten sẽ trở nên đơn giản hơn. Việc gắn trực tiếp các chấn tử lên thanh đỡ kim loại sẽ không ảnh hưởng gì đến phân bố dòng điện trên anten vì điểm giữa của các chấn tử cũng phù hợp với nút của điện áp. Việc sử dụng thanh đỡ bằng kim loại cũng không ảnh hưởng gì đến bức xạ của anten vì nó được đặt vuông góc với các chấn tử. Chấn tử phản xạ Chấn tử dẫn xạ A D P Z Chấn tử chủ động L Hình 1.
Anten Yagi Để tìm hiểu nguyên lý làm việc của anten ta xét một anten dẫn xạ đơn giản gồm 3 phần tử: chấn tử chủ động A, chấn tử phản xạ P và chấn tử dẫn xạ D. Chấn tử chủ động được nối với máy phát cao tần. Dưới tác dụng của trường bức xạ tạo bởi A, trong P và D sẽ xuất hiện dòng cảm ứng và các chấn tử này sẽ bức xạ thứ cấp. Như đã biết, nếu chọn độ dài của P và khoảng cách từ A đến P một cách thích hợp thì P sẽ trở thành chấn tử phản xạ của A.
Khi ấy năng lượng bức xạ của cặp A-P sẽ giảm yếu về phía chấn tử phản xạ và được tăng cường theo hướng ngược lại. Tương tự như vậy, nếu chọn được độ dài của D và khoảng cách từ A tới D một cách thích hợp thì D sẽ trở Lê Quang Toàn 10 Luận văn Thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại học Công nghệ - ĐHQGHN thành chấn tử dẫn xạ của A. Khi ấy bức xạ của hệ A-D sẽ được tăng cường về phía chấn tử dẫn xạ và giảm yếu theo hướng ngược. Kết quả là năng lượng của cả hệ sẽ được tập trung về một phía, hướng từ phía chấn tử phản xạ về phía chấn tử dẫn xạ.
Theo lý thuyết của chấn tử ghép, dòng điện trong chấn tử chủ động (I1) và dòng điện trong chấn tử thụ động (I2) có quan hệ với nhau bởi biểu thức: I2 ae i I1 a ( R122 X 122 )(R222 X 222 ) (1.10) X 12 X2 arctg ( ) arctg ( ) R12 R22 Bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử thụ động, có thể biến đổi độ lớn và dấu của điện kháng riêng X22 và do đó sẽ biến đổi được a và. Càng tăng khoảng cách d thì biên độ dòng trong chấn tử thụ động càng giảm. Khi điện kháng của chấn tử thụ động mang tính cảm kháng sẽ nhận được I2 sớm pha so với I1 , trong trường hợp này chấn tử chủ động sẽ trở thành chấn tử phản xạ. Ngược lại, khi điện kháng của chấn tử thụ động mang tính dung kháng thì dòng I2 sẽ chậm pha so với I1 và chấn tử thụ động trở thành chấn tử dẫn xạ.4 là đồ thị phương hướng của cặp chấn tử chủ động và Hình 1.4 Lê Quang Toàn 11 Luận văn Thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại học Công nghệ - ĐHQGHN X 22 thụ động khi d=0,1 ứng với các trường hợp khác nhau của arctg.
R22 X 22 Từ hình vẽ ta thấy khi arctg >0, chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ, R22 X 22 còn khi arctg <0, chấn tử thụ động trở thành chấn tử dẫn xạ. Trong thực tế, việc R22 thay đổi điện kháng X22 của chấn tử thụ động được thực hiện bằng cách điều chỉnh độ dài của chấn tử: khi độ dài chấn tử lớn hớn độ dài cộng hưởng sẽ có X22>0, chấn tử là chấn tử phản xạ còn khi độ dài chấn tử nhỏ hơn độ dài cộng hưởng sẽ có X22<0, chấn tử là chấn tử dẫn xạ. Thông thường, mỗi anten Yagi chỉ có một chấn tử làm nhiệm vụ phản xạ, đó là vì trường bức xạ về phía ngược đã bị chấn tử này làm yếu đáng kể, nếu có thêm chấn tử phản xạ nữa cũng không có tác dụng đáng kể. Để tăng hiệu quả phản xạ có thể dùng mặt phản xạ kim loại, lưới kim loại.
Khoảng cách giữa chấn tử chủ động và chấn tử phản xạ thường được chọn trong giới hạn 0,15 0,25. Trong khi đó, số lượng chấn tử dẫn xạ lại có thể khá nhiều vì sự bức xạ của anten được định hướng về phía chấn tử dẫn xạ nên các chấn tử này được kích thích với cường độ Lê Quang Toàn 12 Luận văn Thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đại học Công nghệ - ĐHQGHN khá mạnh và khi số chấn tử dẫn xạ đủ lớn sẽ hình thành một kênh dẫn sóng, với sóng truyền lan là sóng chậm. Số chấn tử dẫn xạ có thể từ 2 đến 10, dôi khi có thể lớn hơn. Khoảng cách giữa chấn tử chủ động và chấn tử dẫn xạ đầu tiên, cũng như giữa các chấn tử dẫn xạ thường trong khoảng 0,1 0,35.
Để có được hệ số định hướng cực đại theo hướng bức xạ chính, kích thước và khoảng cách của các chấn tử cần được lựa chọn sao cho đạt được quan hệ xác định đối với dòng điện trong các chấn tử, tốt nhất là tương đối đồng đều về mặt biên độ, với giá trị gần bằng biên độ dòng điện của chấn tử chủ động, và chậm dần về pha khi di chuyển theo trục anten, từ chấn tử phản xạ về phía chấn tử dẫn xạ. Khi đó trường bức xạ tổng sẽ được tăng cường theo một hướng (hướng của các chấn tử dẫn xạ) và giảm nhỏ theo các hướng khác. Do vậy khi anten được điều chỉnh một cách thích hợp thì bức xạ của nó sẽ trở thành đơn hướng. Vì đặc tính bức xạ của anten có quan hệ rất mật thiết với các kích thước tương đối của anten nên anten Yagi thuộc loại anten dải hẹp.
Dải tần của anten khi hệ số định hướng ở hướng chính biến đổi dưới 3dB đạt được khoảng vài phần trăm. Khi số lượng chấn tử dẫn xạ khá lớn, việc điều chỉnh đối với anten sẽ rất phức tạp vì khi thay đổi độ dài hoặc vị trí của mỗi chấn tử sẽ dẫn đến sự thay đổi biên độ và pha của dòng điện trong tất cả các chấn tử. X iXp iX1 iX2 iXn / Z 2 zp 0 z1 z2 zn P A D Hình 1. Sơ đồ anten Yagi Lê Quang Toàn 13 Luận văn Thạc sĩ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.