Tr­êng­®iÖn­tõ­vµ­Kü­thuËt­anten

Tµi liÖu tham kh¶o:Tr êng ®iÖn tõ vµ truyÒn sãng - Phan Anh - NXB §HQGHNLý thuyÕt vµ kÜ thuËt anten – Gs Ts Phan Anh – NXB khoa häc kü thuËt.Tr êng vµ sãng ®iÖn tõ – Phan Anh (dÞch) – NXB §H vµ TCCN

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­néi­dung

Ch­¬ng­I.­Sãng­®iÖn­tõ­vµ­truyÒn­sãng

Ch­¬ng­II.­Lý­thuyÕt­vµ­kü­thuËt­anten

ch­¬ng­III.­C¸c­lo¹i­anten

Ch ¬ng I. Sãng ®iÖn tõ vµ truyÒn sãng.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­Giíi­thiÖu - Tr êng ®iÖn tõ lµ mét d¹ng ®Æc

biÖt cña vËt chÊt. Nã tån t¹i d íi d¹ng sãng hoÆc h¹t, cã t¸c dông t ¬ng hç víi c¸c h¹t mang ®iÖn. Trong ch©n kh«ng tr êng ®iÖn tõ truyÒn víi vËn tèc ¸nh s¸ng (3.108 m/s)

- N¨ng l îng cña tr êng ®iÖn tõ cã thÓ biÕn ®æi tõ d¹ng nµy sang d¹ng kh¸c nh ng lu«n b¶o toµn

• Theo ®Þnh luËt Einstein n¨ng l îng vµ khèi l îng tr êng ®iÖn tõ cã quan hÖ:

W= m.c2 (J) W: n¨ng l îng; m: Khèi l îng (kg); c: VËn tèc ¸nh s¸ng (m/s).

HÖ­ph­¬ng­tr×nh­Maxwell

• Ph ¬ng tr×nh Maxwell thø nhÊt:

H

T d

EJ J

trotH

Trong ®ã: : C êng ®é tõ tr êng (A/m); : MËt ®é dßng ®iÖn dÉn (A/m2); : C êng ®é ®iÖn tr êng (V/m); : H»ng sè ®iÖn m«i (F/m); : §iÖn dÉn suÊt (S/m);

dJ E

E

T d dichJ J J

ý­nghÜa­ph­¬ng­tr×nh­Maxwell­thø­nhÊt

• Tõ tr êng cã thÓ ® îc g©y ra kh«ng chØ bëi dßng ®iÖn dÉn mµ do c¶ dßng ®iÖn dÞch, nghÜa lµ do sù biÕn ®æi cña c êng ®é ®iÖn tr êng theo thêi gian.

• T¸c dông cña dßng ®iÖn dÉn vµ dßng ®iÖn dÞch lµ nh nhau trong viÖc t¹o ra tõ tr êng.

HÖ­ph­¬ng­tr×nh­Maxwell

• Ph ¬ng tr×nh Maxwell thø hai:

H

trotE

Trong ®ã: : §é tõ thÈm cña m«i tr êng (A/m);

ý­nghÜa­ph­¬ng­tr×nh­Maxwell­thø­hai

• Tõ tr êng biÕn ®æi theo thêi gian sÏ t¹o ra ®iÖn tr êng.

HÖ­ph­¬ng­tr×nh­Maxwell

- Ph ¬ng tr×nh Maxwell thø ba:

: MËt ®é ®iÖn tÝch - Ph ¬ng tr×nh Maxwell thø t :

ý nghÜa: Lµ hai ph ¬ng tr×nh x¸c ®Þnh mËt ®é nguån cña ®iÖn tr êng vµ tõ tr êng

div E

0div H

• HÖ­h­¬ng­tr×nh­Maxwell­®Çy­®ñ

d

EJ

trotH

H

trotE

div E

0div H

KÕt­luËn

• Cã biÕn thiªn cña ®iÖn tr êng dÉn ®Õn cã tõ tr êng biÕn thiªn vµ ng îc l¹i.

• Dßng ®iÖn dÉn vµ dßng ®iÖn dÞch cã vai trß nh nhau trong viÖc sinh ra tõ tr êng.

• Trong ch©n kh«ng vÉn tån t¹i ®iÖn tõ tr êng.

§Þnh lý Poynting§©y lµ ®Þnh lý vÒ sù b¶o toµn n¨ng l îng trong tr êng ®iÖn tõ.Ph¸t­biÓu: N¨ng l îng tr êng ®iÖn tõ ch¶y qua mét ®¬n vÞ ®iÖn tÝch

trong mét ®¬n vÞ thêi gian ® îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

Trong ®ã: : C«ng suÊt tæn hao d íi d¹ng nhiÖt cña dßng ®iÖn trong thÓ tÝch V. S: DiÖn tÝch mÆt giíi h¹n bëi ® êng vßng d©y

dÉn l. : vecto mËt ®é th«ng l îng n¨ng l îng ch¶y qua mÆt S trong ®¬n vÞ thêi gian (vect¬

poynting)

dWdt

S

Q dS . .

V

Q J E dV

E H

§Þnh lý Poynting

ChiÒu cña vect¬ poynting lµ chiÒu dÞch thuËn theo quy t¾c vÆn nót chai tõ sang (hay quy t¾c bµn tay tr¸i) víi gãc quay nhá nhÊt.

N¨ng l îng tr êng ®iÖn tõ ch¶y qua mét ®¬n vÞ thêi gian ® îc x¸c ®Þnh:

; W/m2.

HE

E

H

.E H

1.1.­Sãng­®iÖn­tõ1.1.1.­Sãng­®iÖn­tõ­ph¼ng

a.­Kh¸i­niÖm: Sãng ®iÖn tõ t¹o ra c¸c vect¬ ®iÖn vµ tõ cã biªn ®é vµ pha gièng nhau vµ hîp thµnh c¸c mÆt ®ång pha vµ ®ång biªn lµ nh÷ng mÆt ph¼ng th× ® îc gäi lµ sãng ®iÖn tõ ph¼ng.

b.­M«i­tr­êng­truyÒn­sãng:- §iÖn m«i lý t ëng (®ång nhÊt kh«ng tæn hao)- §ång nhÊt, cã tæn hao- B¸n dÉn.NhËn xÐt: Sãng ®iÖn tõ kh«ng lan truyÒn trong m«i tr êng kim

lo¹i (Fe, Cu…)­c.­TÝnh­chÊt:- Ph¶n x¹, khóc x¹ khi sãng truyÒn qua hai m«i tr êng cã chiÕt

suÊt kh¸c nhau. - NhiÔu x¹ khi b íc sãng xÊp xØ víi kÝch th íc vËt c¶n.- T¸n x¹ khi b íc sãng nhá h¬n vËt c¶n.

E H

1.1.­Sãng­®iÖn­tõ1.1.2.­Bøc­x¹­sãng­®iÖn­tõa. §Þnh nghÜa Qu¸ tr×nh truyÒn tr êng ®iÖn tõ tõ nguån vµo

kh«ng gian gäi lµ qu¸ tr×nh bøc x¹ tr êng ®iÖn tõ. Bøc x¹ tr êng ®iÖn tõ chØ x¶y ra víi nguån biÕn

thiªn.b. Bøc x¹ cña dipol ®iÖn- Tr êng vïng gÇn. ë khu gÇn th× c¸c thµnh phÇn ®iÖn tr êng vµ tõ tr

êng lÖch pha nhau 900 theo thêi gian. Do ®ã vecto poynting trung b×nh sÏ cã gi¸ trÞ b»ng kh«ng. Chøng tá n¨ng l îng cña tr êng vïng gÇn cã tÝnh dao ®éng. Trong mét phÇn t chu kú ®Çu th× n¨ng l îng nµy dÞch chuyÓn tõ nguån tr êng ra kh«ng gian xung quanh vµ trong mét phÇn t chu kú tiÕp theo l¹i dÞch chuyÓn trë l¹i gièng nh sù trao ®æi n¨ng l îng trong mét m¹ch dao ®éng. Tr êng khu gÇn cßn ® îc gäi lµ tr­êng­c¶m­øng­vµ khu gÇn ® îc gäi lµ khu­c¶m­øng.

1.1.­Sãng­®iÖn­tõ

- Tr êng vïng xa §iÖn tr êng vµ tõ tr êng ë vïng xa lu«n

lu«n ®ång pha nhau. V× thÕ gi¸ trÞ trung b×nh cña vecto poynting lu«n kh¸c kh«ng vµ n¨ng l îng bøc x¹ ® îc dÞch chuyÓn tõ nguån vµo kh«ng gian xung quanh. Tr êng ®iÖn tõ bøc x¹ ë vïng xa cã d¹ng sãng cÇu, cã vecto ®iÖn vµ tõ vu«ng gãc víi h íng truyÒn lan. Sãng ®iÖn tõ trong tr êng hîp nµy ® îc gäi lµ sãng ®iÖn tõ ngang

1.1.­Sãng­®iÖn­tõ1.1.3.­Sãng­®iÖn­tõ­®Þnh­h­íng- Kh¸i niÖm: Sãng ®iÖn tõ ® îc lan truyÒn theo mét h íng x¸c ®Þnh, tr¸nh sù

ph©n t¸n n¨ng l îng theo c¸c h íng kh¸c khi truyÒn th«ng tin gi÷a c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi. ® îc gäi lµ sãng ®iÖn tõ ®Þnh h íng.

- C¸c lo¹i hÖ ®Þnh h íng: + D©y song hµnh: Gåm hai d©y dÉn ®Ó song song trong mét vá bäc. Khi ®ã sãng

®iÖn tõ ® îc ®Þnh h íng bëi hÖ thèng nµy truyÒn lan ë kh«ng gian xung quanh d©y dÉn.

D©y song hµnh thÝch hîp sö dông ®èi víi d¶i sãng cã b íc sãng lín (>1m).

D©y song hµnh ® îc bäc kim cã hiÖu qu¶ truyÒn dÉn cao h¬n nhiÒu s¬ víi d©y kh«ng bäc.

+ D©y ®ång trôc: Gåm mét d©y dÉn bäc trong vá bäc. Sãng ®iÖn tõ truyÒn trong

kh«ng gian gi÷a c¸c mÆt cña d©y dÉn trong vµ ngoµi. D©y ®ång trôc cã hiÖu qu¶ truyÒn dÉn cao, cã cÊu tróc ®¬n

gi¶n. + èng dÉn sãng: Lµ kh«ng gian® îc bao bäc bëi vá kim lo¹i khi kh«ng cã d©y dÉn

bªn trong. Sãng ®iÖn tõ ® îc lan truyÒn trong kh«ng gian ®ã.

1.1.­Sãng­®iÖn­tõC¸c lo¹i hÖ ®Þnh h íng

1.2.­TruyÒn­sãng1.2.1.­C¸c­vÊn­®Ò­chung­vÒ­truyÒn­sãng. Kh¶o s¸t vÒ sù truyÒn lan tù do cña sãng ®iÖn tõ ë

d¶i v« tuyÕn ®iÖn. Vai trß th«ng tin, th«ng tin v« tuyÕn trong x· héi

hiÖn ®¹i. Nhê c¸c sãng nµy mµ cã thÓ thiÕt lËp c¸c kªnh

th«ng tin v« tuyÕn víi cù ly th«ng tin rÊt lín. Mét kªnh th«ng tin th êng gåm c¸c thiÕt bÞ thu -

ph¸t ®Æt ë ®Çu cuèi ® êng truyÒn vµ tin tøc ® îc mang ®i nhê sãng ®iÖn tõ lan truyÒn trong m«i tr êng vËt lý trung gian gäi lµ m«i tr êng truyÒn sãng.

§Ó ®¶m b¶o còng nh t¨ng chÊt l îng kªnh th«ng tin v« tuyÕn chóng ta kh«ng chØ quan t©m ®Õn tÝnh n¨ng, chÊt l îng cña thiÕt bÞ ®Çu cuèimµ cßn ph¶i xÐt ®Õn m«i tr êng truyÒn sãng, lùa chän dóng ®¾n tÇn sè c«ng t¸c còng nh chän ph ¬ng thøc truyÒn sãng hîp lý

1.2.­TruyÒn­sãng- ¶nh h ëng cña m«i tr êng ®Õn truyÒn sãng M«i tr êng cã ¶nh h ëng rÊt lín ®Õn

truyÒn sãng vµ g©y ra c¸c hiÖn t îng: + Suy hao sãng + Thay ®æi h íng vµ vËn tèc truyÒn sãng + Lµm mÐo tÝn hiÖu- Ph©n lo¹i sãng: Cã hai c¸ch ph©n lo¹i: + Theo b íc sãng: Sãng cùc dµi, sãng dµi,

sãng trung, sãng ng¾n,.. + Theo ph ¬ng thøc truyÒn lan: Sãng trùc

tiÕp, sãng ®Êt, sãng ®èi l u, sãng ®iÖn ly.

1.2.­TruyÒn­sãng1.2.1.­TruyÒn­sãng­®Êt• Kh¸i niÖm: Lµ sãng VT§ ® îc truyÒn ë gÇn mÆt

®Êt theo ® êng th¼ng hoÆc bÞ ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt hoÆc bÞ uèn theo ®é cong mÆt ®Êt do hiÖn t îng nhiÔu x¹.

HiÖn t îng nhiÔu x¹ lµ hiÖn t îng quü ®¹o tia sãng bÞ uèn cong quanh vËt c¶n trªn ® êng truyÒn.

• Kh¸i qu¸t chung Sãng trong tr êng hîp nµy bÞ ¶nh h

ëng bëi ®Êt mµ cô thÓ lµ bÞ ¶nh h ëng cña chÊt ®Êt vµ ®Þa h×nh. V× thÕ biÕt ® îc c¸c th«ng sè ®Êt ( h»ng sè ®iÖn m«i , ®iÖn dÉn suÊt,…) lµ rÊt quan träng.

Gi¶i mét bµi to¸n tæng qu¸t vÒ sãng ®Êt víi nhiÒu biÕn sè nh vËy rÊt lµ khã. Ng êi ta sö dông mét biÖn ph¸p trong thùc tÕ ®ã lµ gi¶i c¸c bµi to¸n riªng víi c¸c gi¶ thiÕt riªng lý t ëng h¬n:

+ Thay thÕ ®Êt thùc låi lâm b»ng mÆt ®Êt b»ng ph¼ng t ëng t îng.

+ Bá qua sù biÕn ®æi liªn tôc, tõ tõ cña chÊt ®Êt trªn ® êng truyÒn. Xem nh tham sè ®Êt biÕn ®æi mét c¸ch ®ét ngét khi qua c¸c vïng ®Êt kh¸c nhau.

+ §èi víi mÆt ®Êt thùc th êng cµng xuèng s©u th× ®é dÉn ®iÖn cµng t¨ng do ®é Èm cao h¬n nh ng trong tÝnh to¸n ta coi tham sè ®Êt kh«ng thay ®æi theo ®é s©u.

+ Thay ®Êt thùc tÕ b»ng ®Êt t ëng t îng cã th«ng sè t ¬ng ® ¬ng.

+ ë cù ly gÇn (r nhá) coi ®Êt ph¼ng+ ë cù ly xa (r lín) xem mÆt ®Êt lµ mÆt cÇu.+ Trong truyÒn sãng ng êi ta sö dông anten ®Ó

thu ph¸t tÝn hiÖu. Cã hai lo¹i anten ® îc sö dông lµ: Anten ®Æt thÊp. Anten ®Æt cao.

• Anten ®Æt cao TruyÒn sãng khi anten ®Æt cao th

êng chØ gÆp ®èi víi sãng ng¾n vµ cùc ng¾n.

Anten ®Æt cao lµ anten cã bé phËn thu vµ ph¸t sãng ®iÖn tõ n»m ë cao so víi mÆt ®Êt (cì vµi b íc sãng).

Anten ®Æt cao Gi¶ thiÕt ®Æt ra:T¹i A cã anten ph¸t víi c«ng suÊt P1. HÖ sè

®Þnh h íng D1 ®Æt ë ®é cao h1.

T¹i B ë ®é cao h2 ®Æt anten thu.

Sãng ®iÖn tõ cã b íc sãng .r1 ® êng ®i tõ A ®Õn B cña tia tíi trùc tiÕp.

r2 ® êng ®i tõ A ®Õn B cña tia ph¶n x¹.

r: Kho¶ng c¸ch tõ anten ph¸t ®Õn anten thu­­­­­:­Gãc nghiªng tia ph¶n x¹Yªu cÇu: X¸c ®Þnh c êng ®é tr êng t¹i B.

Anten ®Æt cao§ êng truyÒn cña sãng

A

P1D1

B

h1

h2

1

2

Kh«ng­khÝ

§Êt

r1

§Ó gi¶i bµi to¸n vÒ truyÒn sãng ®Êt chóng ta cÇn t×m hiÓu bµi to¸n vÒ truyÒn sãng trong kh«ng gian tù do (c«ng thøc truyÒn sãng lý t ëng)- Kh«ng gian tù do lµ m«t m«i tr êng ®ång

nhÊt, ®¼ng h íng, kh«ng hÊp thô vµ cã hÖ sè ®iÖn m«i t ¬ng ®èi, ®iÖn dÉn suÊt b»ng 1.

Bµi to¸n: T¹i A: cã nguån bøc x¹, c«ng suÊt ph¸t

P1, ® îc ®Æt trong kh«ng gian tù do. X¸c ®Þnh c êng ®é ®iÖn tõ tr êng thu ® îc t¹i B c¸ch A mét kho¶ng r.

Lêi gi¶i: MËt ®é c«ng suÊt trung b×nh t¹i B lµ:

(V/m2) NÕu nguån bøc x¹ cã h íng, hÖ sè ®Þnh h íng D1 th×:

(V/m2)

Biªn ®é c êng ®é ®iÖn tr êng: (V/m)

Gi¸ trÞ tøc thêi cña c êng ®é ®iÖn tr êng: : hÖ sè sãng : Gi¸ trÞ hiÖu dông c êng ®é ®iÖn tr êngNÕu t¹i B cã anten thu víi diÖn tÝch hiÖu dông:Ta cã c«ng suÊt anten thu cÊp cho m¸y thu:

(W)Trong thùc tÕ, m«i tr êng lµm suy hao sãng. §Æc tr ng cho sù suy hao lµ

thõa sè lµm yÕu F.VËy c êng ®é tr êng trong m«i tr êng thùc tÕ:

C«ng suÊt cÊp cho m¸y thu thùc tÕ:C«ng thøc liªn hÖ gi÷a c êng ®é ®iÖn vµ tõ tr êng:

1 11 24

PD

r

1 1

160mE PD

r

( )( ) .cos( ) .

2

i t krm me t E t kr E e

kv

2h mE E

2

2

24hS D

2

221 1 1 2 2

2 1 22 2. . .

4 4 (4 )h

PD PD DP S D

r r

1 1

160 .mE PD F

r

2 21 2 22 2

.(4 )

PD DP F

r

120

EH

21

1 4 r

P

Lêi­gi¶i­cho­bµi­to¸n­truyÒn­sãng­®ÊtC êng ®é tr êng t¹i B cña tia tíi trùc tiÕp ® îc x¸c ®Þnh bëi E1 = Em1 . ; V/ mTrong ®ã: Em1 = V/m: Gi¸ trÞ hiÖu dông cña c êng ®é tr êng

tia trùc tiÕp C êng ®é tr êng t¹i B cña tia ph¶n x¹ ® îc x¸c ®Þnh: E2 = Em2. V/ m;Trong ®ã: Em2= .R V/m Gi¸ trÞ hiÖu dông cña c êng ®é tr êng

tia ph¶n x¹. R: hÖ sè ph¶n x¹. : gãc pha tia ph¶n x¹.R vµ ® îc x¸c ®Þnh dùa vµo c¸c ®å thÞ vÒ hÖ sè ph¶n x¹ (ë

cuèi s¸ch) khi biÕt c¸c th«ng sè ®Êt (h»ng sè ®iÖn m«i, ®iÖn dÉn suÊt).

VËy c êng ®é tr êng t¹i B lµ: Coi:

VËy ta cã c êng ®é tr êng t¹i B lµ:

1( )i t kre

1 11

160PD

r

2( )i t kre ie

1 12

160PD

r

1 2BE E E

1 2

1 1 1

r r r

21 1

160 1 2 cosBE PD R R

r

Trong ®ã:

§Æt F = : gäi lµ thõa sè lµm yÕu

Trong nhiÒu tr êng hîp do h1<<r vµ h2<<r nªn gãc nghiªng cña tia ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt sÏ nhá ®Õn møc cã thÓ xem R 1 vµ . Khi ®ã:

EB= (V/m);

Hay EB = (V/m);

VËy ®Ó truyÒn sãng tèt nhÊt ph¶i chän ®é cao anten ph¸t, thu thÝch hîp ®Ó tia ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt kh«ng lµm yÕu tr êng tia trùc tiÕp hoÆc t¨ng c êng ®é tr êng t¹i ®iÓm thu.

k r

1 22 1 2

h hr r r

r

21 2 cosR R

0180

1 1

260PD

rsin r

1 1

260PD

r1 22

sinh h

r

KÕt luËn: Nh vËy chóng ta ®· ®ù¬c t×m

hiÓu vÒ ph ¬ng thøc truyÒn lan cña sãng ®Êt. Qua ®ã còng biÕt ® îc ¶nh h ëng cña ®Êt ®èi víi kh¶ n¨ng truyÒn sãng vµ còng hiÓu r»ng ph¶i chän ®é cao anten thÝch hîp míi thu ph¸t sãng tèt.

1.2.2. TruyÒn sãng trong tÇng ®èi l u

- TÇng ®èi l u lµ tÇng khÝ quyÓn n»m tõ s¸t mÆt ®Êt vµ lªn ®Õn ®é cao kho¶ng:

+ 8km ®Õn 10km ë c¸c vïng cùc. + 10km ®Õn 12km ë c¸c vïng «n ®íi. + 18km ®Õn 20km ë c¸c vïng xÝch ®¹o.- TÇng ®èi l u cã thµnh phÇn chÊt khÝ kh«ng ®æi: 78%

khÝ nit¬, 21% oxi, vµ 1% lµ c¸c chÊt kh¸c.- TÇng ®èi l u cã ®Æc ®iÓm quan träng lµ mËt ®é chÊt

khÝ gi¶m khi ®é cao t¨ng- TÇng ®èi l u cã chiÕt suÊt biÕn ®æi ®Òu theo ®é cao.

Khi mét tia sãng truyÒn trong tÇng ®èi l u mµ kh«ng song song víi ph ¬ng ngang th× nã sÏ bÞ khóc x¹ liªn tôc. Nh vËy tia sãng sÏ bÞ uèn cong chø kh«ng cßn truyÒn theo quü ®¹o th¼ng. §©y chÝnh lµ hiÖn t îng khóc x¹ khÝ quyÓn.

- TÇng ®èi l u chØ ¶nh h ëng ®Õn sãng cùc ng¾n vµ sãng VT§ truyÒn ë cù li xa.

1.2.3. TruyÒn sãng trªn tÇng ®iÖn li

- TÇng ®iÖn ly lµ tÇng khÝ quyÓn bÞ ion ho¸ n»m ë ®é cao 60 ®Õn 600km.

Nguyªn nh©n g©y ion ho¸ ë tÇng ®iÖn li: Do t¸c dông cña bøc x¹ mÆt trêi dÉn ®Õn x¶y ra

sù ph©n li c¸c ph©n tö oxi, nit¬ thµnh c¸c nguyªn tö. MÆt kh¸c còng do nh÷ng nguyªn nh©n kh¸c nh lµ: bøc x¹ cña c¸c v× sao, c¸c tia vò trô, c¸c thiªn th¹ch khi vµo khÝ quyÓn tr¸i ®Êt bÞ ch¸y.

- D íi t¸c dông cña c¸c nguån ion ho¸ vµ do cÊu t¹o cña c¸c chÊt khÝ nªn trong khÝ quyÓn xuÊt hiÖn mét sè miÒn ®¹t cùc trÞ ion ho¸ (hay cßn gäi lµ c¸c líp), C¸c líp nµy ¶nh h ëng trùc tiÕp ®Õn kh¶ n¨ng truyÒn sãng.

- Trong m«i tr êng ion ho¸, tÝn hiÖu ® îc truyÒn ®i víi vËn tèc nhá h¬n vËn tèc ¸nh s¸ng. Sau khi truyÒn qua m«i tr êng nµy tÝn hiÖu sÏ bÞ mÐo d¹ng.

Ch­¬ng­II.­Lý­thuyÕt­vµ­kü­thuËt­anten

2.1. Lý thuyÕt anten2.1.1. Giíi thiÖu chung- VÞ trÝ anten trong hÖ thèng th«ng tin VT§ anten ® îc ®Æt ë ®Çu ra m¸y ph¸t vµ ®Çu vµo m¸y thu. anten ph¸t anten

thu

M tr êng

truyÒn

- Vai trß: Lµ phÇn tö kh«ng thÓ thiÕu trong bÊt kú hÖ thèng th«ng tin VT§.

- §Þnh nghÜa: + anten ph¸t: Lµ mét thiÕt bÞ dïng ®Ó biÕn ®æi n¨ng l îng dßng cao

tÇng ® îc ®iÒu chÕ tõ m¸y ph¸t thµnh n¨ng l îng sãng ®iÖn tõ vµ bøc x¹ vµo kh«ng gian theo mét quy luËt x¸c ®Þnh.

+ Anten thu: Lµ thiÕt bÞ dïng ®Ó thu sãng ®iÖn tõ tõ kh«ng gian tíi theo quy luËt x¸c ®Þnh vµ biÕn ®æi thµnh n¨ng l îng dßng cao tÇng ®Ó ® a tíi ®Çu vµo cña m¸y thu.

Anten chÝnh lµ mét thiÕt bÞ biÕn ®æi n¨ng l îng vµ ®Þnh h íng truyÒn sãng.

- Yªu cÇu ®èi víi anten: Cã tÝnh ®Þnh h íng x¸c ®Þnh. HiÖu suÊt ®ñ cao ®Ó khi ph¸t

gi¶m ® îc tæn hao, khi thu t¨ng ® îc tØ sè tÝn/t¹p.

Gi¶i th«ng ®ñ réng. ChÞu ® îc c«ng suÊt khi ph¸t vµ cã

kh¶ n¨ng chèng nhiÔu khi thu. KÝch th íc gän, träng l îng nhÑ, gi¸

thµnh rÎ

2.1.2.­­c¸c­tham­sè­c¬­b¶n­cña­anten

- Hµm h íng tÝnh: BiÓu thÞ sù phô thuéc cña c êng ®é tr êng

bøc x¹ cña anten theo c¸c h íng kh¸c nhau trong kh«ng gian víi kho¶ng c¸ch kh«ng ®æi.

- Hµm biªn ®é chuÈn ho¸ BiÓu thÞ biªn ®é c êng ®é tr êng ë h íng

kh¶o s¸t trªn biªn ®é tr êng ë h íng cùc ®¹i. Hµm nµy ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt t¹i 1.

2.1.3.­§å­thÞ­ph­¬ng­h­íng­vµ­®é­réng­bóp­sãng

§å thÞ ph ¬ng h íng ® îc vÏ bëi hµm tÝnh h íng. Nã m« t¶ quan hÖ gi÷a c êng ®é tr êng bøc x¹ hoÆc c«ng suÊt bøc x¹ cña anten trong c¸c h íng kh¸c nhau víi mét kho¶ng c¸ch kh¶o s¸t cè ®Þnh

§å thÞ ph ¬ng h íng trong hÖ to¹ ®é cùc

2.1.3.­§å­thÞ­ph­¬ng­h­íng­vµ­®é­réng­bóp­sãng

§é réng bóp sãng (®é réng cña ®å thÞ ph ¬ng h íng) ® îc x¸c ®Þnh bëi gãc gi÷a hai h íng mµ theo hai h íng ®ã c êng ®é tr êng hoÆc c«ng suÊt bøc x¹ gi¶m ®i mét gi¸ trÞ nhÊt ®Þnh.

Cã nhiÒu c¸ch ®¸nh gi¸ ®é réng bóp sãng, th êng ®é réng bóp sãng nöa c«ng suÊt ® îc sö dông. §é réng bóp sãng nöa c«ng suÊt tøc lµ gãc gi÷a hai h íng mµ theo hai h íng ®ã c«ng suÊt bøc x¹ gi¶m ®i mét nöa so víi c«ng suÊt bøc x¹ cùc ®¹i. KÝ hiÖu: ( hay cßn gäi lµ ®é réng bóp sãng 3dB), nÕu gi¸ trÞ nµy cµng bÐ th× anten tËp trung c«ng suÊt bøc x¹ cµng m¹nh.

3dB

2.1.3.­§å­thÞ­ph­¬ng­h­íng­vµ­®é­réng­bóp­sãng

§é réng cña ®å thÞ ph ¬ng h íng

2.1.4.­C«ng­suÊt­bøc­x¹,­®iÖn­trë­bøc­x¹

vµ­hiÖu­suÊt­cña­anten.- C«ng suÊt bøc x¹: PA= Pbx+ Pth.

PA: C«ng suÊt ®Æt vµo anten. Pbx: C«ng suÊt bøc x¹. Pth: C«ng suÊt tæn hao.- §iÖn trë bøc x¹: PA= I2 (Rbx+ Rth.) Rbx, Rth: §iÖn trë bøc x¹ vµ ®iÖn trë tæn hao cña anten.- HiÖu suÊt:

§Æc tr ng cho møc ®é tæn hao c«ng suÊt cña anten. Th

êng nhá h¬n 1.

2.1.5.­HÖ­sè­h­íng­tÝnh­vµ­hÖ­sè­khuyÕch­®¹i.

HÖ sè ®Þnh h íng:

: HÖ sè h íng tÝnh cña anten.

: MËt ®é c«ng suÊt bøc x¹ cña antenkh¶o s¸t.

S0: MËt ®é c«ng suÊt bøc x¹ cña anten chuÈn cïng h íng.

Hay:

: Biªn ®é c êng ®é ®iÖn tr êng anten kh¶o s¸t.

E0: Biªn ®é c êng ®é ®iÖn tr êng cña anten v« h íng.

VËy:

( , )D ( , )S

( , )E

HÖ sè khuÕch ®¹i cña anten §Æc tr ng cho anten vÒ tÝnh bøc x¹ vµ c¶ kh¶

n¨ng lµm viÖc (cßn ® îc gäi lµ hÖ sè t¨ng Ých hay ®é lîi cña anten).

§å thÞ ph ¬ng h íng cña anten omni-directional vµ anten v« h íng

HÖ sè h íng tÝnh vµ hÖ sè khuÕch ®¹i th êng ® îc biÓu diÔn theo ®¬n vÞ dB.

2.1.6.­Trë­kh¸ng­vµo­cña­anten.

Ua: §iÖn ¸p ®Çu vµo anten.

Ia: Dßng ®iÖn ®Çu vµo anten.

2.1.7.­C«ng­suÊt­bøc­x¹­®¼ng­h­íng­t­¬ng­®­¬ng.

EIRP= PT.GT (W).

PT: C«ng suÊt ®Çu ra m¸y ph¸t

GT: HÖ sè khuÕch ®¹i anten ph¸t (coi b»ng 1).

EIRP cã thÓ ® îc tÝnh theo ®¬n vÞ dB:

Bµi tËpBµi 1: Mét m¸y ph¸t cã c«ng suÊt lµ 100W

nèi víi anten cã hÖ sè khuÕch ®¹i 10. X¸c ®Þnh c«ng suÊt bøc x¹ ®¼ng h íng t ¬ng ® ¬ng tÝnh theo W, dBW, dBm?

Bµi 2: Mét anten cã trë kh¸ng bøc x¹ 73 ,trë kh¸ng tæn hao 8 , hÖ sè h íng tÝnh 20, c«ng suÊt m¸y ph¸t ® a vµo anten 100W. X¸c ®Þnh:

a. HiÖu suÊt lµm viÖc cña anten. b. HÖ sè khuÕch ®¹i cña anten (dBi). c. C«ng suÊt bøc x¹ vµ c«ng suÊt bøc x¹

®¼ng h íng t ¬ng ® ¬ng W, dBW, dBm.

Lêi gi¶iBµi 1:C«ng suÊt bøc x¹ ®¼ng h íng t ¬ng ®

¬ng tÝnh theo W, dBW, dBm:

Lêi gi¶iBµi 2:

2.1.8.­DiÖn­tÝch­hiÖu­dông­vµ­chiÒu­dµi­hiÖu­dông

DiÖn tÝch hiÖu dông:

A: diÖn tÝch bøc x¹ hay c¶m øng thùc tÕ cña anten.

Quan hÖ gi÷a diÖn tÝch hiÖu dông vµ hÖ sè khuÕch ®¹i anten thu:

2.1.9.­D¶i­tÇn­c«ng­t¸c D¶i tÇn c«ng t¸c cña anten ® îc ph©n thµnh bèn

nhãm:

2.1.10.­HÖ­sè­b¶o­vÖ­cña­anten

• TÝnh theo ®¬n vÞ dB cã:

2.2.­C¸c­nguån­bøc­x¹

Theo lý thuyÕt vÒ tr êng bøc x¹, c¸c anten bøc x¹ sãng ®iÖn tõ cã thÓ ® îc xem lµ tËp hîp cña c¸c nguån bøc x¹ ®¬n gi¶n.

ChÝnh v× thÕ ®Ó nghiªn cøu c¸c anten phøc t¹p chóng ta cã thÓ dùa trªn viÖc nghiªn cøu c¸c anten nguyªn tè ®¬n gi¶n nh dipol ®iÖn vµ dipol tõ.

2.2.1.­Dipol­®iÖn

• CÊu t¹o Dipol ®iÖn hay cßn gäi lµ l ìng

cùc ®iÖn Lµ mét ®o¹n d©y dÉn m¶nh,

th¼ng, cã chiÒu dµi rÊt nhá so víi b íc sãng c«ng t¸c, trªn ®o¹n d©y cã dßng ®iÖn mµ biªn ®é vµ pha ® îc xem lµ ®ång ®Òu t¹i mäi ®iÓm.

2.2.1.­Dipol­®iÖn Ph©n bè dßng ®iÖn trªn dipol vµ c¸c ® êng søc

®iÖn, tõ tr êng do dipol g©y ra:

2.2.1.­Tr­êng­bøc­x¹­cña­dipol­®iÖn

2.2.1.­Tr­êng­bøc­x¹­cña­dipol­®iÖn

§Æt dipol trong hÖ to¹ ®é cÇu t©m O trïng t©m dipol. ChiÒu dµi h íng theo trôc z. Tr êng ®iÖn tõ

thu ® îc t¹i ®iÓm M bÊt kú cã to¹ ®é lµ:

2.2.1.­Tr­êng­bøc­x¹­cña­dipol­®iÖn

Thay c¸c gi¸ trÞ cña Z vµ k vµo ta ® îc:

2.2.1.­Tr­êng­bøc­x¹­cña­dipol­®iÖn

C¸c th«ng sè:

2.2.1.­Tr­êng­bøc­x¹­cña­dipol­®iÖn§å thÞ ph ¬ng h íng cña dipol ®iÖn

2.2.1.­Tr­êng­bøc­x¹­cña­dipol­®iÖn

- C«ng suÊt bøc x¹ cña dipol ®iÖn

- §iÖn trë bøc x¹ cña dipol ®iÖn

- HÖ sè ®Þnh h íng cña dipol ®iÖn

2.2.1.­Tr­êng­bøc­x¹­cña­dipol­®iÖn

NhËn xÐt:- Tr êng bøc x¹ dipol lµ tr êng ph©n cùc

th¼ng, mÆt ph¼ng ®iÖn tr êng lµ mÆt ph¼ng chøa trôc dipol, mÆt ph¼ng tõ tr êng lµ mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi trôc dipol.

- N¨ng l îng tr êng bøc x¹ lµ n¨ng l îng thùc v× t¹i mçi ®iÓm kh¶o s¸t c¸c vecto ®Òu cã ph ¬ng gièng nhau.

- Hµm h íng tÝnh cña dipol chØ phô thuéc gãc mµ kh«ng phô thuéc gãc . Nªn tr êng bøc x¹ dipol ®iÖn cã tÝnh h íng trong mÆt ph¼ng E vµ v« h íng trong mÆt ph¼ng H .

2.2.2. Dipol tõ

Lµ mét ®o¹n d©y dÉn m¶nh, th¼ng, cã chiÒu dµi rÊt nhá so víi b íc sãng c«ng t¸c, trªn ®o¹n d©y cã dßng tõ mµ biªn ®é vµ pha ® îc xem lµ ®ång ®Òu t¹i mäi ®iÓm.

2.2.2.­Dipol­tõ

Ph©n bè dßng trªn dipol tõ vµ c¸c ® êng søc ®iÖn, tõ tr êng do dipol g©y ra:

2.2.2.­Tr­êng­bøc­x¹­cña­dipol­tõ

2.2.2.­Tr­êng­bøc­x¹­cña­dipol­tõ

Tr êng ®iÖn tõ thu ® îc t¹i ®iÓm M bÊt kú:

Trong thùc tÕ kh«ng cã dßng tõ mµ chØ

cã dßng tõ t ¬ng ® ¬ng, tøc lµ chØ cã phÇn tö trªn ®ã tån t¹i thµnh phÇn tiÕp tuyÕn cña ®iÖn tr êng.

2.2.2.­Tr­êng­bøc­x¹­cña­dipol­tõ

- Khi ®iÖn tr êng bøc x¹ cña dipol ®iÖn cã gi¸ trÞ b»ng ®iÖn tr êng bøc x¹ cña dipol tõ th× dßng tõ ph¶i cã gi¸ trÞ gÊp hai lÇn dßng ®iÖn cña dipol ®iÖn. NghÜa lµ:

- C«ng suÊt bøc x¹ cña dipol tõ:

- §iÖn dÉn bøc x¹ cña dipol tõ:

2.3.­Nguyªn­tè­bøc­x¹­hçn­hîp

- CÊu t¹o: Gåm mét dipol ®iÖn ®Æt vu«ng gãc víi

mét dipol tõ. Dipol ®iÖn ®Æt theo trôc x cã dßng ®iÖn Ixe, dipol tõ ®Æt theo trôc y cã dßng tõ Iym. Gi¶ sö ®é dµi hai dipol b»ng nhau vµ b»ng l. Ta cã quan hÖ biªn ®é gi÷a dßng ®iÖn vµ dßng tõ lµ:

Trong ®ã a: HÖ sè thùc hoÆc sè phøc Z: Trë kh¸ng sãng cña m«i tr êng

2.3.­Nguyªn­tè­bøc­x¹­hçn­hîp

Nguyªn tè bøc x¹ hçn hîp

2.3.­Nguyªn­tè­bøc­x¹­hçn­hîp T¹i mäi ®iÓm kh¶o s¸t tr êng bøc x¹ gåm c¶ bèn thµnh

phÇn §iÖn tr êng bøc x¹ ë khu xa:

Hµm tÝnh h íng:

Hµm tÝnh h íng biªn ®é chuÈn ho¸:

HÖ sè ®Þnh h íng:

2.3.­Nguyªn­tè­bøc­x¹­hçn­hîp

§å thÞ ph ¬ng h íng

2.3.­Nguyªn­tè­bøc­x¹­hçn­hîp

NhËn xÐt: Nguyªn tè bøc x¹ hçn hîp chØ bøc

x¹ n¨ng l îng cùc ®¹i vÒ mét h íng. H íng bøc x¹ cùc ®¹i ® îc x¸c ®Þnh bëi h íng cña tÝch vect¬ (IexIm). Nguyªn tè bøc x¹ hçn hîp ® îc gäi lµ nguyªn tè bøc x¹ ®¬n h íng. C©u hái vµ bµi tËp

C©u­hái­vµ­bµi­tËp