TR Ư ỜNG Đ IỆN TỪ VÀ KỸ THUẬT ANTEN

1. TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ KỸ THUẬT ANTEN Tài liệu tham khảo:Trường điện từ và truyền sóng - Phan Anh - NXB ĐHQGHN Lý thuyết và kĩ thuật anten – Gs Ts Phan Anh – NXB khoa học kỹ thuật. Trường và sóng điện từ – Phan Anh (dịch) – NXB ĐH và TCCN

2. NỘI DUNGCHƯƠNG I. SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNGCHƯƠNG II. LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ANTENCHƯƠNG III. CÁC LOẠI ANTEN

3. Chương I. Sóng điện từ và truyền sóng. Giíi thiÖu • - Trường điện từ là một dạng đặc biệt của vật chất. Nó tồn tại dưới dạng sóng hoặc hạt, có tác dụng tương hỗ với các hạt mang điện. Trong chân không trường điện từ truyền với vận tốc ánh sáng (3.108 m/s) • - Năng lượng của trường điện từ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác nhưng luôn bảo toàn

4. Theo định luật Einstein năng lượng và khối lượng trường điện từ có quan hệ: • W= m.c2 (J) • W: năng lượng; • m: Khối lượng (kg); • c: Vận tốc ánh sáng (m/s).

5. Hệ phương trình Maxwell • Phương trình Maxwell thứ nhất: Trong đó: : Cường độ từ trường (A/m); : Mật độ dòng điện dẫn (A/m2); : Cường độ điện trường (V/m); : Hằng số điện môi (F/m); : Điện dẫn suất (S/m);

6. Ý NGHĨA PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL THỨ NHẤT • Từ trường có thể được gây ra không chỉ bởi dòng điện dẫn mà do cả dòng điện dịch, nghĩa là do sự biến đổi của cường độ điện trường theo thời gian. • Tác dụng của dòng điện dẫn và dòng điện dịch là như nhau trong việc tạo ra từ trường.

7. Hệ phương trình Maxwell • Phương trình Maxwell thứ hai: Trong đó: : Độ từ thẩm của môi trường (A/m);

8. Ý NGHĨA PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL THỨ HAI • Từ trường biến đổi theo thời gian sẽ tạo ra điện trường.

9. Hệ phương trình Maxwell - Phương trình Maxwell thứ ba: : Mật độ điện tích • Phương trình Maxwell thứ tư: ý nghĩa: Là hai phương trình xác định mật độ nguồn của điện trường và từ trường

10. Hệ hương trình Maxwell đầy đủ

11. Kết luận Có biến thiên của điện trường dẫn đến có từ trường biến thiên và ngược lại. Dòng điện dẫn và dòng điện dịch có vai trò như nhau trong việc sinh ra từ trường. Trong chân không vẫn tồn tại điện từ trường.

12. Định lý Poynting Đây là định lý về sự bảo toàn năng lượng trong trường điện từ. Phát biểu: Năng lượng trường điện từ chảy qua một đơn vị điện tích trong một đơn vị thời gian được xác định theo công thức: Trong đó: : Công suất tổn hao dưới dạng nhiệt của dòng điện trong thể tích V. S: Diện tích mặt giới hạn bởi đường vòng dây dẫn l. : vecto mật độ thông lượng năng lượng chảy qua mặt S trong đơn vị thời gian (vectơ poynting)

13. Định lý Poynting Chiều của vectơ poynting là chiều dịch thuận theo quy tắc vặn nút chai từ sang (hay quy tắc bàn tay trái) với góc quay nhỏ nhất. Năng lượng trường điện từ chảy qua một đơn vị thời gian được xác định: ; W/m2.

14. 1.1. Sóng điện từ 1.1.1. Sóng điện từ phẳng a. Khái niệm: Sóng điện từ tạo ra các vectơđiện và từ có biên độ và pha giống nhau và hợp thành các mặt đồng pha và đồng biên là những mặt phẳng thì được gọi là sóng điện từ phẳng. b. Môi trường truyền sóng: - Điện môi lý tưởng (đồng nhất không tổn hao) • Đồng nhất, có tổn hao • Bán dẫn. Nhận xét: Sóng điện từ không lan truyền trong môi trường kim loại (Fe, Cu…) c. Tính chất: • Phản xạ, khúc xạ khi sóng truyền qua hai môi trường có chiết suất khác nhau. • Nhiễu xạ khi bước sóng xấp xỉ với kích thước vật cản. • Tán xạ khi bước sóng nhỏ hơn vật cản.

15. 1.1. Sóng điện từ 1.1.2. Bức xạ sóng điện từ • Định nghĩa Quá trình truyền trường điện từ từ nguồn vào không gian gọi là quá trình bức xạ trường điện từ. Bức xạ trường điện từ chỉ xảy ra với nguồn biến thiên. b. Bức xạ của dipol điện • Trường vùng gần. ở khu gần thì các thành phần điện trường và từ trường lệch pha nhau 900 theo thời gian. Do đó vecto poynting trung bình sẽ có giá trị bằng không. Chứng tỏ năng lượng của trường vùng gần có tính dao động. Trong một phần tư chu kỳ đầu thì năng lượng này dịch chuyển từ nguồn trường ra không gian xung quanh và trong một phần tư chu kỳ tiếp theo lại dịch chuyển trở lại giống như sự trao đổi năng lượng trong một mạch dao động. Trường khu gần còn được gọi là trường cảm ứng và khu gần được gọi là khu cảm ứng.

16. 1.1. Sóng điện từ • Trường vùng xa Điện trường và từ trường ở vùng xa luôn luôn đồng pha nhau. Vì thế giá trị trung bình của vecto poynting luôn khác không và năng lượng bức xạ được dịch chuyển từ nguồn vào không gian xung quanh. Trường điện từ bức xạ ở vùng xa có dạng sóng cầu, có vecto điện và từ vuông góc với hướng truyền lan. Sóng điện từ trong trường hợp này được gọi là sóng điện từ ngang

17. 1.1. Sóng điện từ 1.1.3. Sóng điện từ định hướng - Khái niệm: Sóng điện từ được lan truyền theo một hướng xác định, tránh sự phân tán năng lượng theo các hướng khác khi truyền thông tin giữa các thiết bị đầu cuối. được gọi là sóng điện từ định hướng. • Các loại hệ định hướng: + Dây song hành: Gồm hai dây dẫn để song song trong một vỏ bọc. Khi đó sóng điện từ được định hướng bởi hệ thống này truyền lan ở không gian xung quanh dây dẫn. Dây song hành thích hợp sử dụng đối với dải sóng có bước sóng lớn (>1m). Dây song hành được bọc kim có hiệu quả truyền dẫn cao hơn nhiều sơ với dây không bọc. + Dây đồng trục: Gồm một dây dẫn bọc trong vỏ bọc. Sóng điện từ truyền trong không gian giữa các mặt của dây dẫn trong và ngoài. Dây đồng trục có hiệu quả truyền dẫn cao, có cấu trúc đơn giản. + ống dẫn sóng: Là không gianđược bao bọc bởi vỏ kim loại khi không có dây dẫn bên trong. Sóng điện từ được lan truyền trong không gian đó.

18. 1.1. Sóng điện từ Các loại hệ định hướng

19. 1.2. Truyền sóng 1.2.1. Các vấn đề chung về truyền sóng. Khảo sát về sự truyền lan tự do của sóng điện từ ở dải vô tuyến điện. Vai trò thông tin, thông tin vô tuyến trong xã hội hiện đại. Nhờ các sóng này mà có thể thiết lập các kênh thông tin vô tuyến với cự ly thông tin rất lớn. Một kênh thông tin thường gồm các thiết bị thu - phát đặt ở đầu cuối đường truyền và tin tức được mang đi nhờ sóng điện từ lan truyền trong môi trường vật lý trung gian gọi là môi trường truyền sóng. Để đảm bảo cũng như tăng chất lượng kênh thông tin vô tuyến chúng ta không chỉ quan tâm đến tính năng, chất lượng của thiết bị đầu cuốimà còn phải xét đến môi trường truyền sóng, lựa chọn dúng đắn tần số công tác cũng như chọn phương thức truyền sóng hợp lý

20. 1.2. Truyền sóng • ảnh hưởng của môi trường đến truyền sóng Môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến truyền sóng và gây ra các hiện tượng: + Suy hao sóng + Thay đổi hướng và vận tốc truyền sóng + Làm méo tín hiệu • Phân loại sóng: Có hai cách phân loại: + Theo bước sóng: Sóng cực dài, sóng dài, sóng trung, sóng ngắn,.. + Theo phương thức truyền lan: Sóng trực tiếp, sóng đất, sóng đối lưu, sóng điện ly.

21. 1.2. Truyền sóng 1.2.1. Truyền sóng đất • Khái niệm: Là sóng VTĐ được truyền ở gần mặt đất theo đường thẳng hoặc bị phản xạ từ mặt đất hoặc bị uốn theo độ cong mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ. Hiện tượng nhiễu xạ là hiện tượng quỹ đạo tia sóng bị uốn cong quanh vật cản trên đường truyền.

22. Khái quát chung Sóng trong trường hợp này bị ảnh hưởng bởi đất mà cụ thể là bị ảnh hưởng của chất đất và địa hình. Vì thế biết được các thông số đất ( hằng số điện môi , điện dẫn suất,…) là rất quan trọng. Giải một bài toán tổng quát về sóng đất với nhiều biến số như vậy rất là khó. Người ta sử dụng một biện pháp trong thực tế đó là giải các bài toán riêng với các giả thiết riêng lý tưởng hơn:

23. + Thay thế đất thực lồi lõm bằng mặt đất bằng phẳng tưởng tượng. + Bỏ qua sự biến đổi liên tục, từ từ của chất đất trên đường truyền. Xem như tham số đất biến đổi một cách đột ngột khi qua các vùng đất khác nhau. + Đối với mặt đất thực thường càng xuống sâu thì độ dẫn điện càng tăng do độ ẩm cao hơn nhưng trong tính toán ta coi tham số đất không thay đổi theo độ sâu. + Thay đất thực tế bằng đất tưởng tượng có thông số tương đương. + ở cự ly gần (r nhỏ) coi đất phẳng + ở cự ly xa (r lớn) xem mặt đất là mặt cầu. + Trong truyền sóng người ta sử dụng anten để thu phát tín hiệu. Có hai loại anten được sử dụng là: Anten đặt thấp. Anten đặt cao.

24. Anten đặt cao Truyền sóng khi anten đặt cao thường chỉ gặp đối với sóng ngắn và cực ngắn. Anten đặt cao là anten có bộ phận thu và phát sóng điện từ nằm ở cao so với mặt đất (cỡ vài bước sóng).

25. Anten đặt cao Giả thiết đặt ra: Tại A có anten phát với công suất P1. Hệ số định hướng D1đặt ở độ cao h1. Tại B ở độ cao h2đặt anten thu. Sóng điện từ có bước sóng . r1đường đi từ A đến B của tia tới trực tiếp. r2đường đi từ A đến B của tia phản xạ. r: Khoảng cách từ anten phát đến anten thu : Góc nghiêng tia phản xạ Yêu cầu: Xác định cường độ trường tại B.

26. A P1D1 1 r1 B h1 2 Không khí h2 Đất Anten đặt cao Đường truyền của sóng

27. Để giải bài toán về truyền sóng đất chúng ta cần tìm hiểu bài toán về truyền sóng trong không gian tự do (công thức truyền sóng lý tưởng) • Không gian tự do là môt môi trường đồng nhất, đẳng hướng, không hấp thụ và có hệ số điện môi tương đối, điện dẫn suất bằng 1. Bài toán: Tại A: có nguồn bức xạ, công suất phát P1, được đặt trong không gian tự do. Xác định cường độ điện từ trường thu được tại B cách A một khoảng r.

28. Lời giải: Mật độ công suất trung bình tại B là: (V/m2) Nếu nguồn bức xạ có hướng, hệ số định hướng D1 thì: (V/m2) Biên độ cường độ điện trường: (V/m) Giá trị tức thời của cường độ điện trường: : hệ số sóng : Giá trị hiệu dụng cường độ điện trường Nếu tại B có anten thu với diện tích hiệu dụng: Ta có công suất anten thu cấp cho máy thu: (W) Trong thực tế, môi trường làm suy hao sóng. Đặc trưng cho sự suy hao là thừa số làm yếu F. Vậy cường độ trường trong môi trường thực tế: Công suất cấp cho máy thu thực tế: Công thức liên hệ giữa cường độ điện và từ trường:

29. Lời giải cho bài toán truyền sóng đất Cường độ trường tại B của tia tới trực tiếp được xác định bởi E1 = Em1 . ; V/ m Trong đó: Em1 = V/m: Giá trị hiệu dụng của cường độ trường tia trực tiếp Cường độ trường tại B của tia phản xạ được xác định: E2 = Em2. V/ m; Trong đó: Em2= .R V/m Giá trị hiệu dụng của cường độ trường tia phản xạ. R: hệ số phản xạ. : góc pha tia phản xạ. R và được xác định dựa vào các đồ thị về hệ số phản xạ (ở cuối sách) khi biết các thông số đất (hằng số điện môi, điện dẫn suất). Vậy cường độ trường tại B là: Coi: Vậy ta có cường độ trường tại B là:

30. Trong đó: Đặt F = : gọi là thừa số làm yếu Trong nhiều trường hợp do h1<<r và h2<<r nên góc nghiêng của tia phản xạ từ mặt đất sẽ nhỏ đến mức có thể xem R 1 và . Khi đó: EB= (V/m); Hay EB = (V/m); Vậy để truyền sóng tốt nhất phải chọn độ cao anten phát, thu thích hợp để tia phản xạ từ mặt đất không làm yếu trường tia trực tiếp hoặc tăng cường độ trường tại điểm thu.

31. Kết luận: Như vậy chúng ta đã đựơc tìm hiểu về phương thức truyền lan của sóng đất. Qua đó cũng biết được ảnh hưởng của đất đối với khả năng truyền sóng và cũng hiểu rằng phải chọn độ cao anten thích hợp mới thu phát sóng tốt.

32. 1.2.2. Truyền sóng trong tầng đối lưu • Tầng đối lưu là tầng khí quyển nằm từ sát mặt đất và lên đến độ cao khoảng: + 8km đến 10km ở các vùng cực. + 10km đến 12km ở các vùng ôn đới. + 18km đến 20km ở các vùng xích đạo. • Tầng đối lưu có thành phần chất khí không đổi: 78% khí nitơ, 21% oxi, và 1% là các chất khác. • Tầng đối lưu có đặc điểm quan trọng là mật độ chất khí giảm khi độ cao tăng • Tầng đối lưu có chiết suất biến đổi đều theo độ cao. Khi một tia sóng truyền trong tầng đối lưu mà không song song với phương ngang thì nó sẽ bị khúc xạ liên tục. Như vậy tia sóng sẽ bị uốn cong chứ không còn truyền theo quỹ đạo thẳng. Đây chính là hiện tượng khúc xạ khí quyển. • Tầng đối lưu chỉ ảnh hưởng đến sóng cực ngắn và sóng VTĐ truyền ở cự li xa.

33. 1.2.3. Truyền sóng trên tầng điện li • Tầng điện ly là tầng khí quyển bị ion hoá nằm ở độ cao 60 đến 600km. Nguyên nhân gây ion hoá ở tầng điện li: Do tác dụng của bức xạ mặt trời dẫn đến xảy ra sự phân li các phân tử oxi, nitơ thành các nguyên tử. Mặt khác cũng do những nguyên nhân khác như là: bức xạ của các vì sao, các tia vũ trụ, các thiên thạch khi vào khí quyển trái đất bị cháy. - Dưới tác dụng của các nguồn ion hoá và do cấu tạo của các chất khí nên trong khí quyển xuất hiện một số miền đạt cực trị ion hoá (hay còn gọi là các lớp), Các lớp này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền sóng. - Trong môi trường ion hoá, tín hiệu được truyền đi với vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng. Sau khi truyền qua môi trường này tín hiệu sẽ bị méo dạng.

34. CHƯƠNG II. LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ANTEN 2.1. Lý thuyết anten 2.1.1. Giới thiệu chung • Vị trí anten trong hệ thống thông tin VTĐ anten được đặt ở đầu ra máy phát và đầu vào máy thu. anten phát anten thu M trường truyền • Vai trò: Là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống thông tin VTĐ. • Định nghĩa: + anten phát: Là một thiết bị dùng để biến đổi năng lượng dòng cao tầng được điều chế từ máy phát thành năng lượng sóng điện từ và bức xạ vào không gian theo một quy luật xác định. + Anten thu: Là thiết bị dùng để thu sóng điện từ từ không gian tới theo quy luật xác định và biến đổi thành năng lượng dòng cao tầng để đưa tới đầu vào của máy thu. Anten chính là một thiết bị biến đổi năng lượng và định hướng truyền sóng.

35. Yêu cầu đối với anten: Có tính định hướng xác định. Hiệu suất đủ cao để khi phát giảm được tổn hao, khi thu tăng được tỉ số tín/tạp. Giải thông đủ rộng. Chịu được công suất khi phát và có khả năng chống nhiễu khi thu. Kích thước gọn, trọng lượng nhẹ, giá thành rẻ

36. 2.1.2. các tham số cơ bản của anten - Hàm hướng tính: Biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ của anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi. • Hàm biên độ chuẩn hoá Biểu thị biên độ cường độ trường ở hướng khảo sát trên biên độ trường ở hướng cực đại. Hàm này đạt giá trị lớn nhất tại 1.

37. 2.1.3. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng Đồ thị phương hướng được vẽ bởi hàm tính hướng. Nó mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố định Đồ thị phương hướng trong hệ toạ độ cực

38. 2.1.3. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng (độ rộng của đồ thị phương hướng) được xác định bởi góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định. Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thường độ rộng búp sóng nửa công suất được sử dụng. Độ rộng búp sóng nửa công suất tức là góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạ cực đại. Kí hiệu: ( hay còn gọi là độ rộng búp sóng 3dB), nếu giá trị này càng bé thì anten tập trung công suất bức xạ càng mạnh.

39. 2.1.3. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng Độ rộng của đồ thị phương hướng

40. 2.1.4. Công suất bức xạ, điện trở bức xạvà hiệu suất của anten. • Công suất bức xạ: PA= Pbx+ Pth. PA: Công suất đặt vào anten. Pbx: Công suất bức xạ. Pth: Công suất tổn hao. - Điện trở bức xạ: PA= I2 (Rbx+ Rth.) Rbx, Rth: Điện trở bức xạ và điện trở tổn hao của anten. • Hiệu suất: Đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten. Thường nhỏ hơn 1.

41. 2.1.5. Hệ số hướng tính và hệ số khuyếch đại. Hệ số định hướng: : Hệ số hướng tính của anten. : Mật độ công suất bức xạ của antenkhảo sát. S0: Mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn cùng hướng. Hay: : Biên độ cường độ điện trường anten khảo sát. E0: Biên độ cường độ điện trường của anten vô hướng. Vậy:

42. Hệ số khuếch đại của anten Đặc trưng cho anten về tính bức xạ và cả khả năng làm việc (còn được gọi là hệ số tăng ích hay độ lợi của anten). Đồ thị phương hướng của anten omni-directional và anten vô hướng Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại thường được biểu diễn theo đơn vị dB.

43. 2.1.6. Trở kháng vào của anten. Ua: Điện áp đầu vào anten. Ia: Dòng điện đầu vào anten.

44. 2.1.7. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương. EIRP= PT.GT (W). PT: Công suất đầu ra máy phát GT: Hệ số khuếch đại anten phát (coi bằng 1). EIRP có thể được tính theo đơn vị dB:

45. Bài tập Bài 1: Một máy phát có công suất là 100W nối với anten có hệ số khuếch đại 10. Xác định công suất bức xạ đẳng hướng tương đương tính theo W, dBW, dBm? Bài 2: Một anten có trở kháng bức xạ 73 ,trở kháng tổn hao 8 , hệ số hướng tính 20, công suất máy phát đưa vào anten 100W. Xác định: a. Hiệu suất làm việc của anten. b. Hệ số khuếch đại của anten (dBi). c. Công suất bức xạ và công suất bức xạ đẳng hướng tương đương W, dBW, dBm.

46. Lời giải Bài 1: Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương tính theo W, dBW, dBm:

47. Lời giải Bài 2:

48. 2.1.8. Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng Diện tích hiệu dụng: A: diện tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten. Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng và hệ số khuếch đại anten thu:

49. 2.1.9. Dải tần công tác Dải tần công tác của anten được phân thành bốn nhóm:

50. 2.1.10. Hệ số bảo vệ của anten • Tính theo đơn vị dB có: