CHƯƠNG LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 5.1 Giới thiệu anten Vai trò anten Là thiết bị xạ sóng điện từ khơng gian thu nhận sóng điện từ từ khơng gian bên ngồi Anten phát: Biến đổi tín hiệu điện cao tần từ máy phát thành sóng điện từ tự lan truyền khơng gian Anten thu: Tập trung lượng sóng điện từ khơng gian thành tín hiệu điện cao tần đưa đến máy thu 5.1 Giới thiệu anten * Các loại anten Hình 4.2 Một số loại anten 5.1 Giới thiệu anten Q trình vật lý xạ sóng điện từ Điện trường xốy Là điện trường có đường sức khơng bị ràng buộc với điện tích tạo mà tự thân chúng khép kín Điều kiện tạo sóng điện từ Quy luật điện từ trường biến thiên, điện trường xoáy biến thiên sinh từ trường biến đổi Bản thân từ trường biến đổi lại sinh điện trường xoáy Q trình lặp lại sóng điện từ hình thành Q trình truyền lan sóng điện từ 5.1 Giới thiệu anten Q trình vật lý xạ sóng điện từ Khảo sát trình xạ 5.2 Các tham số Hàm tính hướng Khái niệm: Là hàm số biểu thị phụ thuộc cường độ trường xạ anten theo hướng khảo sát cự ly khảo sát không đổi ur ur ur f ( θ , ϕ ) = fθ ( θ , ϕ ) iθ + fϕ ( θ , ϕ ) iϕ θ, ϕ: Góc xạ anten (góc phương vị góc ngẩng) Hàm tính hướng biên độ: Biểu thị quan hệ biên độ trường xạ theo hướng khảo sát với cự ly khảo sát không đổi ur f ( θ ,ϕ ) = fθ ( θ , ϕ ) + fϕ ( θ , ϕ ) Hàm biên độ tương đối (chuẩn hóa) F ( θ ,ϕ ) = f ( θ ,ϕ ) f ( θ , ϕ ) max ; Fmax = 5.2 Các tham số Đồ thị tính hướng Là đồ thị khơng gian biểu thị biến đổi tương đối biên độ trường xạ theo hướng khảo sát cự ly khảo sát không đổi Được vẽ từ F(θ,ϕ) tọa độ Đềcác tọa độ cực Mặt phẳng chọn vẽ đồ thị hai mặt phẳng vng góc qua hướng xạ cực đại anten Với tọa độ cực, trục chuẩn ban đầu chọn trùng với trục đối xứng đồ thị, bắt đầu hướng cực đại Thang biểu diễn theo thang thập phân hay thang logarit 1,0 0,75 Đồ thị tính hướng 0,50 0,25 o θ -90 -60 -30 30 60 90 5.2 Các tham số Độ rộng đồ thị tính hướng Là góc hai hướng mà theo hướng cơng suất xạ giảm Góc xạ khơng (2θ ): Cơng suất xạ hướng cực đại giảm đến “0” Góc xạ nửa cơng suất (2θ hay θ ): Công suất xạ giảm nửa so với hướng cực đại 1/2 3dB Thể tính tập trung lượng xạ theo hướng làm việc Hình 4.6 Độ rộng đồ thị tính hướng 5.2 Các tham số Công suất xạ, điện trở xạ, hiệu suất Công suất xạ (P ): Là phần công suất xạ thành lượng điện từ Σ Công suất tổn hao (P ): Công suất bị tiêu tán nhiệt vật dẫn, lớp điện môi … th Công suất đưa vào anten: P =P +P a Σ th Hiệu suất anten ηa = Điện trở xạ: PΣ = Pa + Pth PΣ = I m RΣ PΣ *Điện trở xạ đặc trưng cho khả xạ anten 5.2 Các tham số Hệ số tính hướng, hệ số tăng ích Hệ số tính hướng Hệ số tính hướng anten hướng cho tỷ số mật độ công suất xạ anten hướng mật độ cơng suất xạ anten chuẩn hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất xạ hai anten S ( θ ,ϕ ) E ( θ ,ϕ ) D ( θ ,ϕ ) = ; D ( θ ,ϕ ) = ; S0 E 20 E ( θ , ϕ ) = Emax F ( θ , ϕ ) ⇔ D ( θ , ϕ ) = Dmax F ( θ , ϕ ) Hệ số khuyếch đại anten (tăng ích) Hệ số khuếch đại anten hướng cho tỷ số mật độ công suất xạ anten hướng mật độ công suất xạ anten chuẩn hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất đưa vào hai anten anten chuẩn (anten vô hướng) G ( θ , ϕ ) = ηa S ( θ ,ϕ ) = η a D ( θ , ϕ ) S0 Hệ số tăng ích vừa biểu tính hướng, vừa biểu thị tổn hao anten 6.2 phương pháp mở rộng dải tần anten thiết lập anten dải rộng •Nguyên lý kết cấu tự bù 1 Trở kháng vào phần tử chấn tử khe chấn tử điện: Z 02 Z vk = Z vd Hình 6.5 Ví dụ cấu trúc anten tự bù Nếu ta có anten phẳng rộng vơ hạn gồm dẫn điện vơ mỏng với hình dạng tùy ý xắp xếp cho khoảng trống chúng có hình dạnh giống với kim loại với kích thƣớc nhƣ ta có tập hợp anten điện anten khe mắc song song  Khi trở kháng vào điểm cấp điện khơng phụ thuộc tần số số 60π (Ω) Trang 168 6.2 phương pháp mở rộng dải tần anten thiết lập anten dải rộng •Nguyên lý tương tự  Nếu biến đổi đồng thời bước sóng cơng tác tất kích thước anten theo tỉ lệ giống đặc tính anten khơng đổi  Hệ số tỉ lệ gọi tỉ lệ xích phép biến đổi tương tự 6.3 Giảm nhỏ kích thước anten Để giảm nhỏ kích thước anten sử dụng biện pháp: + Dùng tải điện kháng để điều chỉnh phân bố dòng điện + Thực anten kết cấu có vận tốc pha nhỏ (kết cấu sóng chậm) + Kết hợp anten với mạch tích cực 6.3 Giảm nhỏ kích thước anten  Dùng tải kháng Dùng tải kháng cuối chấn tử Trang 171 6.4 Cấp điện phối hợp trở kháng •Tín hiệu từ máy phát tới anten thơng qua đường dây phidơ, gọi đường tiếp điện •Chấn tử sử dụng phổ biến chấn tử nửa sóng  Cấp điện dây song hành •Đặc điểm + Trở kháng không phối hợp: 73,1Ω 300 600 Ω + Cần tạo đường dây song hành trở kháng thấp 276 D Z0 = lg d εr D khoảng cách hai dây dẫn tính từ tâm d đườgn kính dây dẫn εr hệ số điện môi tương đối môi trường bao quanh dây dẫn Trang 172 6.4 Cấp điện phối hợp trở kháng  Cấp điện dây song hành • Chấn tử kiểu Y (tiếp điện kiểu song song) + Chấn tử nối ngắn mạch + Dây song hành mắc vào điểm A-A hai nhánh chấn tử cho phối hợp trở kháng R ≈R v + AA ≈Z sin AA ( kl ) 73,1 2l1 ≈ 0,12λ Với phidơ 600Ω , có giá trị D ≈ 0,15λ 2l = λ/2 l1 l1 l2 l2 D A A C A D d C Tiếp điện kiểu song song mạch tương đương Trang 173 A λ/4 6.4 Cấp điện phối hợp trở kháng  Cấp điện dây song hành • Chấn tử kiểu T (tiếp điện kiểu song song) + Đoạn chuyển tiếp OA song song với chấn tử  Khác biệt trở kháng với phiđơ chính; hiệu ứng xạ + Trở kháng vào chấn tử tính AA, biến đổi qua đoạn chuyển tiếp OA + Trở kháng vào OO đạt cực đại l1 = + Với phiđơ 600 λ /8, giảm l1 tăng l1 = (0, 09 ÷ 0,1)λ Ω: D = (0, 01 ÷ 0, 02 )λ l2 d1 = d l l1 l2 A 2l = λ/2 A d C A O D d1 O A λ/4 O O C Tiếp điện kiểu song song kiểu T mạch tương đương Trang 174 6.4 Cấp điện phối hợp trở kháng  Cấp điện dây song hành • Chấn tử vòng dẹt + Là chấn tử kiểu T với điểm AA đầu mút chấn tử + Gồm hai chấn tử nửa sóng với đầu mút nối với nhau, chấn tử cấp điện chấn tử bị ngắn mạch + = 4R Bức kháng xạ tương tự vớitrở hai chấn tử nửa bxsóng Trở R' + Cấp điện trực tiếp dây song hành trở kháng 300Ω bx = 292Ω λ/2 A C A A A + _ C Hình 5.21 Chấn tử vòng dẹt mạch tƣơng đƣơng Trang 175 6.4 Cấp điện phối hợp trở kháng  Cấp điện cáp đồng trục + Sử dụng cho băng sóng cực ngắn + Dòng dây dẫn dòng dây dẫn ngồi + Khơng thể cấp điện đối xứng cho chấn tử • Cấp điện phối hợp hình Γ + Đảm bảo tính đối xứng tương đối + Điểm O nối với dây đẫn + I2’ O O I1 b b a Dây dẫn nối với điểm có trở kháng phù hợp với trở kháng cáp a I2’’ I2’’ I2 I1 (a) Hình 6.23 Cấp điện trực tiếp (b) Hình 5.24 Cấp điện có phối hợp Trang 176 BÀI GIẢNG 6.4 Cấp điện phối hợp trở kháng  Cấp điện cáp đồng trục • Thiết bị biến đổi đối xứng với đoạn cáp chữ U + l1− l Phiđơ cấp điện nối vào điểm c, với khoảng cách tới hai đầu chấn tử =R + Trở kháng đầu cuối ab: + Dòng cấp vào hai nhánh chấn tử đảm bảo tính đối xứng + Dòng dây dẫn ngồi bị triệt tiêu + Trở kháng sóng: Nếu phiđơ cấp điện có trở kháng sóng 70 R ao =R bo ab Ω phối hợp I1 I2 trở kháng (a) hoàn toàn a o I1 d (b) b a b o l1 I c I2 λ’/2 l2 = l1+λ’/2 Hình 6.25 Bộ biến đổi đối xứng chữ U Trang 177 =λ ' BÀI GIẢNG 6.5 Tạp âm anten  Tổng quan dΩ Vật thể hấp thụ Zc R Chấn tử Mặt phản xạ Hình 6.14 Điện trở R nối đầu vào anten  Công suất tạp âm 2 P = 1− Γ n ( 1− Γ )( g ) k.∆f L  e T + T A   Trang 178 2α l −Γ 1− Γ  e −2α l −T   BÀI GIẢNG Câu hỏi tập  Bài tập chương 1.Trình bày phương pháp tần số điều khiển đồ thị phương hướng 2.Trình bày phương pháp pha điều khiển đồ thị phương hướng 3.Trình bày việc thiết lập anten dải rộng theo nguyên lý tự bù 4.Trình bày việc thiết lập anten dải rộng theo nguyên lý tương tự 5.Trình bày phương pháp điều chỉnh phân bố dòng điện để giảm nhỏ kích thước anten 6.Trình bày ngun tắc phương pháp làm chậm sóng để giảm kích thước anten 7.Trình bày biện pháp cấp điện cho chấn tử đối xứng dây song hành 8.Trình bày biện pháp cấp điện cho chấn tử đối xứng thiết bị biến đổi đối xứng dùng đoạn cáp chữ U Trang 179 Câu hỏi tập Câu hỏi tập KIỂM TRA ANTEN Câu 1: Trình bày q trình phản xạ khúc xạ sóng phẳng truyền lan không gian theo hướng bất kỳ? Câu 2: Trình bày đặc điểm truyền lan sóng cực ngắn? Câu 3: Một anten phát có hệ số khuếch đại 20dB, hiệu suất làm việc 70% Để có cường độ điện trường hiệu dụng điểm thu cách anten phát 110km 4,44mV/m cần phải đưa vào anten công suất bao nhiêu, với điều kiện sóng truyền khơng gian tự Câu 4: Xác định công suất máy phát cần thiết để thực tuyến thơng tin có điều kiện: cự ly thơng tin 66 km, tần số công tác 2,5 GHz, hệ số khuếch đại anten thu anten phát 55 dBi, công suất anten thu nhận 5,65W ... không gian Anten thu: Tập trung lượng sóng điện từ khơng gian thành tín hiệu điện cao tần đưa đến máy thu 5. 1 Giới thiệu anten * Các loại anten Hình 4.2 Một số loại anten 5. 1 Giới thiệu anten Quá... > Qz =   − k I b cos { k ( l + z ) } , z <  i.ω 5. 4.1 Anten chấn tử Phân bố dòng điện Q I Q I a) l = 0, 25 b) l = 0 ,5 I Q c) l = 0 ,6 75 Phân bố dòng điện điện tích chấn tử đối xứng Bức Bức... anten anten chuẩn (anten vô hướng) G ( θ , ϕ ) = ηa S ( θ ,ϕ ) = η a D ( θ , ϕ ) S0 Hệ số tăng ích vừa biểu tính hướng, vừa biểu thị tổn hao anten 5. 2 Các tham số Đồ thị phương hướng anten omni-directional