Đang tải... (xem toàn văn)
Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến điện (Chương 1-GT)
BÀI GIẢNG CHI TIẾT LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ANTEN 75 tiết (5 đvht) 75 tiết (15tuần) Chương 1 : Các nguồn bức xạ nguyên tố 10 tiết (2 tuần) Chương 2 : Anten chấn tử đối xứng 10 tiết (2 tuần) Chương 3 : Hệ thống bức xạ 10 tiết (3 tuần) Chương 4 : Ảnh hưởng của mặt đất 5 tiết (2 tuần) Chương 5 : Lý thuyết anten thu 5 tiết (2 tuần) Chương 6 : Kỹ thuật anten 10 tiết (2 tuần) Chương 7 : Anten sóng dài trung ngắn 5 tiết (1 tuần) Chương 8 : Anten sóng cực ngắn 15 tiết (3 tuần) dự trữ 5 tiết Giáo trình : Lý thuyết và kỹ thuật anten (Phan Anh) Tài liệu tham khảo : Electromagnetic Waves and Antennas ( Sophocles J. Orfanidis ) Mở đầu - Anten là gì ? · Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến điện (Chương 1-GT) · Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ (Chương 1-GT) - Mục đích môn học : · lý thuyết về bức xạ sóng điện từ · lý thuyết thu sóng điện từ · các biện pháp để cải thiện thông số kỹ thuật của anten (tăng độ định hướng, mở rộng dải tần công tác, giảm nhỏ kích thước anten với sóng dài và sóng trung) · phân tích được cấu trúc, đặc tính kỹ thuật của anten thường dùng · tạo lập khả năng thiết kế, chế tạo, lắp ráp, sửa chữa các loại anten - Cấu trúc môn học: · phần 1 : lý thuyết anten · phần 2 : kỹ thuật anten · phần 3 : thiết bị anten · Bài tập lớn CHƯƠNG 1 : CÁC NGUỒN BỨC XẠ NGUYÊN TỐ Khái niệm nguồn bức xạ nguyên tố - Các anten thực tế là tập hợp của các nguồn bức xạ nguyên tố - Khảo sát các nguồn bức xạ nguyên tố, rồi khái quát hóa (tích phân theo kích thước) có được đặc tính của các loại anten chấn tử, anten bức xạ mặt … - Có 3 loại nguồn bức xạ nguyên tố cơ bản : điện, từ, hỗn hợp I. Đipol điện 1) Định nghĩa - § 2.1 / 1 GT - l l= để thỏa mãn giả thiết I const= 2) Mô hình toán - Biểu diễn vecto trong tọa độ decac và tọa độ cầu (Hình 2.1) - Khái niệm hàm bức xạ (hàm vectơ) Đặc trưng cho nguồn bức xạ, cả về độ lớn và hướng - Ghi nhận và nêu y nghĩa của (2.4) và (2.5) . .E E E E i E i H H H q j q q j j q j = + = + = + 1 . . . .sin 4 0. ikR e ik E WH e WI l R E WH q j j q q p - = = = = - Trong (2.4) : 4 ik p là hệ số tính toán (kết quả tích phân khối, hàm mũ có hằng số k…) 1 R biểu diễn sự suy giảm biên độ trường theo khoảng cách ikR e - biểu diễn sự dịch pha theo khoảng cách e I l biểu diễn độ lớn của nguồn kích thích sinq biểu diễn sự phụ thuộc vào phương hướng 3) Một số tính chất - Trường bức xạ của đipôl điện là trường phân cực thẳng. Điện trường bức xạ của đipôl chỉ có thành phần E q , còn từ trường chỉ có thành phần H j . Mặt phẳng E là các mặt phẳng chứa trục đipôl, còn mặt phẳng H là các mặt phẳng vuông góc với trục đipôl. y x z E q S H j R I e j q Dipol §iÖn l - Ti mi im kho sỏt, cỏc vộct q E v j H u cú gúc pha ging nhau nờn nng lng ca trng bc x l nng lng thc (nng lng hu cụng). Vộct mt cụng sut trung bỡnh c xỏc nh bi (1.35a): q ổ ử = = ỗ ữ ố ứ 2 * 1 Re 2 2 tb R E S E H i W 4) Mt s thụng s - Hm phng hng v hm phng hng biờn chun húa Hỡnh 2.2 - Cụng sut bc x - in tr bc x - H s nh hng * Hóy nờu nh ngha (hoc khỏi nim) cỏc thụng s v tớnh toỏn cho trng hp ipol in. * V th phng hng t hm phng hng bng cỏc cụng c phn mm ha, tớnh toỏn ( Matlab, Archim) II. ipol t - nh ngha - p dng nguyờn lớ i ln, cú c cỏc c tớnh tng t ipol in - Khỏi nim dũng t tng ng : m I l - Nguyờn t bc x khe : 2 m khe I U= - - Vũng in nguyờn t : m e v I l iI kWs= q j E q j = const; f m ( q ) = sin q q = const; f m ( j ) = 1 z y x III. Nguyờn t bc x hn hp 1. nh ngha - Nguyờn t bc x hn hp l phn t bc x bao gm mt ipụl in v mt ipol t t vuụng gúc vi nhau. Hỡnh 2.12 v nguyờn t hn hp, trong ú ipụl in t theo trc x, dũng in e x I , cũn ipụl t t theo trc y, vi dũng t m y I . - Gi s di ca hai ipụl ging nhau (bng l) cũn quan h biờn gia chỳng c xỏc nh bi: m y e x I I = W, W = m e . 2. Mụ hỡnh toỏn xỏc nh trng bc x ca nguyờn t hn hp, cn tớnh cỏc hm bc x e G v m G . Tng t nh trng hp ipụl in v t ó kho sỏt trc õy, ta cú: ỹ = = ù ý ù = = ỵ e e e x x x m m e y y y G G i I l G G i I l (2.51) p dng (1.39) ta nhn c cỏc thnh phn ca hm bc x trong h ta cu: q j ỹ = j q = j q ù ý = - j = - j ù ỵ cos cos cos cos sin sin e e x x e e x x G G I l G G I l (2.52) q j ỹ = j q = j q ù ý = j = j ù ỵ sin cos sin cos cos cos m m y y m m y y G G I l G G I l (2.53) p dng (1.32), ng thi chỳ ý n quan h (2.50) ta nhn c trng bc x khu xa: -ikR e W 1 q q = - j q p cos (cos + ) 4 e x ik E I l i R (2.54) -ikR e W j j = j + q p sin (1 cos ) 4 e x ik E I l i R (2.57) 3. c tớnh * c tớnh hng i chiu (2.54), (2.55) vi (1.43) ta cú th rỳt ra biu thc i vi cỏc thnh phn ca hm phng hng W 1 q q q j = j q( , ) cos (cos + ) e x f I l i (2.56) W j j q j = - j + q( , ) sin (1 cos ) e x f I l i (2.57) Vỡ mụun ca q f v j f cú cc i bng 2. e x I l W nờn hm phng hng biờn chun húa s cú dng: j q y z x I x R I y M( q,j ) e m q j q q j = cos (1 + cos ) ( , ) 2 F q j q q j = sin (1 + cos ) ( , ) 2 F th phng hng ca nguyờn t hn hp trong mt phng j = const (mt phng i qua trc z) cú dng ng cariụit vi cc i theo hng q = 0, v bng khụng theo hng q = p (hỡnh 1.13a). th phng hng khụng gian ca nguyờn t bc x l mt hỡnh cariụit trũn xoay. Hỡnh ny nhn c bng cỏch quay th mt phng quanh trc i xng z (hỡnh 2.13b). T gin hng tớnh v trờn ta nhn thy nguyờn t hn hp ch bc x nng lng cc i v mt phớa. Hng bc x cc i c xỏc nh bi hng ca tớch vộct ( e m I I ). Nguyờn t hn hp núi trờn cũn c gi l nguyờn t bc x n hng. Hm phng hng chun húa theo cụng sut c xỏc nh theo (1.57) { } q j q j + q ổ ử q j = = ỗ ữ ố ứ + 2 2 2 2 2 2 max cos + 1 ( , ) 2 m m m m m f f F f f * H s nh hng hng cc i c xỏc nh : D max = p = + q q q j 2 16 3 (1 cos ) sin d d (2.61) Ta cú biu thc ca h s nh hng vit theo (1.83) bng D(q, j) = + q 2 3 (1 cos ) 4 (2.62) 4. Nguyờn t bc Huy ghen Mt trong cỏc mụ hỡnh thc t ca nguyờn t hn hp l t hp ca mt ipụl in v mt vũng in nguyờn t c sp xp nh hỡnh 2.14. Tht vy, nh ó chng minh, vũng in nguyờn t vi bỏn kớnh rt nh so vi bc súng cú th c coi tng ng vi mt ipụl t m trc ipụl vuụng gúc vi mt phng vũng in. Mt mụ hỡnh thc t khỏc ca nguyờn t hn hp l nguyờn t bc x mt (cũn gi l nguyờn t Huygens). ú l phn t din tớch cú kớch thc rt nh so vi bc súng, trờn ú cỏc thnh phn tip tuyn ca in trng v t trng vuụng gúc nhau v phõn b vi biờn v pha ng u (hỡnh 2.15a). Theo nguyờn lý tng ng ca dũng in v dũng t mt (0.4), ta cú th thay th cỏc thnh phn tip tuyn ca in v t trng trờn nguyờn t bi cỏc dũng in v dũng t mt (hỡnh 2.15b). ỹ = = ù ý = - = ù ỵ ( ) ( ) m t x s t m t y s t J n H H i J n E E i (2.63) z q z y x I e I e H t n z y x E t J s x y z e m J s dy dx z y x e I x I y m Hỡnh 2.15 Khi ú, Nguyờn t Huygens cú th c thay th bi mt cp ipụl in v ipụl t t vuụng gúc nhau (hỡnh 2.15c). ipụl in cú di dy v dũng in = e x x t I H dy i (2.64) ipụl t cú di dx v dũng t: = m y y t I E dx i (2.65) IV. Nguyờn t Tuanike 1. nh ngha Nguyờn t Tuanikờ l mt t hp ca hai ipụl (in hoc t) t vuụng gúc nhau trong khụng gian, v c tip in sao cho dũng in (hay dũng t) chy trong cp ipụl y cú biờn bng nhau, cũn gúc pha lch nhau 90 o . Vớ d, cp ipụl in v h ta c chn nh hỡnh 2.16. Quan h dũng in trong hai ipụl theo gi thit l: p - = - 2 2 1 i e e I e iI (2.26) 2. Mụ hỡnh toỏn Hm bc x trong trng hp ny s cú hai thnh phn theo i x v i y : ỹ = ù ý ù = ỵ 1 2 e e x x e e y y G I l i G I l i (2.67) T (2.67) ta xỏc nh c cỏc thnh phn ca hm bc x trong h ta cu bng cỏch ỏp dng cụng thc chuyn i (1.39) j q p ổ ử - j+ ỗ ữ ố ứ j ỹ = j - j q = q ù ý ù = - j + j = ỵ 1 1 2 1 1 (cos sin )cos cos (sin cos ) e e e i i e e e G I l i I le G I l i I le (2.68) p dng (2.68) cho (1.32) ta xỏc nh c cỏc thnh phn ca in trng bc x: a) b) c) M(q,j) I e 2 1 y x z E q E j I e j q e 1 W - - j q q - = q p cos 4 ikR i ik e E I l e i R (2.69) e 1 W p ổ ử - - j+ ỗ ữ ố ứ j j - = p 2 4 ikR i ik e E I l e i R (2.70) 3. c tớnh * c tớnh phng hng Cỏc thnh phn ca hm phng hng: W - j q q q j = q 1 ( , ) cos e i f I l e i (2.71) W p ổ ử - j+ ỗ ữ ố ứ j j q j = 2 1 ( , ) i e f I l e i (2.72) Theo (2.71), (2.72) mụun ca cỏc hm f q v f j cú cc i bng W 1 e I l . Do ú hm phng hng biờn chun húa s cú cỏc thnh phn bng: q q j = q( , ) cosF j q j =( , ) 1F * c tớnh phõn cc Cú th thy rng trng bc x ca nguyờn t Tuanikờ l trng cc húa elip. Phõn cc ca trng, trong trng hp tng quỏt, s l phõn cc elip. Cỏc trc ca elip trựng vi cỏc trc ta ti im kho sỏt. Biờn ca hai thnh phn phõn cc ch ph thuc q; th ca chỳng c v hỡnh 2.18. H s elip xỏc nh theo (1.77), khi ỏp dng (2.79), (2.80) s bng: j q = = q 1 cos m e m P K P (2.84) Trờn hỡnh 2.18 cng biu din phõn b ca h s elip theo q. T hỡnh v ta thy, khi q = {0 o , 180 o }, h s elip cú giỏ tr K e = {1, -1}, chng t theo hai hng vuụng gúc vi mt phng ca hai ipụl, phõn cc ca trng l phõn cc trũn, vi chiu quay ngc nhau. Khi q = p 2 ta cú K e = Ơ, chng t theo cỏc hng nm trong mt phng ca hai ipụl, phõn cc ca trng l phõn cc thng. Vi cỏc giỏ tr khỏc ca q, ta cú trng phõn cc elip, vi h s elip c xỏc nh bi (2.84). * Hm phng hng chun húa theo cụng sut ca nguyờn t tuanikờ c xỏc nh theo (1.57). Khi ỏp dng (2.73), (2.74) s nhn c: ( ) q j = q + 2 2 1 ( , ) cos 1 2 m F (2.85) j 1/ 2 1/ 2 q 1/ 2 1 90 0 270 0 1/ 2 q = 0 0 180 0 tròn trònElip Elip thẳng p p 1 0 p/2 p q K 1 -1 0 p/2 p Dạng cực hoá j m q m 1/ 2 -1/ 2 e q Ta thấy nguyên tố Tuanikê không có hướng bức xạ không. Bức xạ cực đại sẽ nhận được theo hướng q = 0 o và q = 180 o . * Hệ số định hướng ở hướng cực đại, theo (1.85), có giá trị bằng: D max = ( ) p p p = q + q q j ò ò 2 2 0 0 8 1,5 cos 1 sin d d (2.86) Ta có biểu thức hệ số định hướng của nguyên tố bức xạ, theo (1.83), được viết dưới dạng: D = 3 4 (1 + cos 2 q) (2.87)