Tiểu luận kĩ thuật angten

LÝ THUYẾT ANTEN

GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ ANTEN

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten

Anten là hệ thống thiết bị cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ, hoạt động như cầu nối giữa máy phát và máy thu Chúng có khả năng truyền năng lượng trường điện từ mà không cần sử dụng các phương tiện truyền dẫn tập trung như cáp đồng, ống dẫn sóng hay sợi quang.

Trong nhiều ứng dụng, anten có khả năng cạnh tranh với các phương tiện truyền dẫn khác trong việc phát và chuyển tải năng lượng trường điện từ Suy hao trường điện từ trong vật liệu thường gia tăng nhanh chóng theo tần số, dẫn đến việc sử dụng phần dẫn sóng bằng vật liệu trở nên kém hiệu quả ở tần số cao Điều này đồng nghĩa với việc hiệu suất của anten cũng tăng theo tần số, khiến anten trở thành lựa chọn ưu việt hơn cho việc chuyển tải các trường điện từ ở tần số cao.

Sóng điện từ là nền tảng của lý thuyết anten, được xây dựng dựa trên các phương trình cơ bản của điện học và từ học Maxwell đã tổng hợp lý thuyết này thành hệ phương trình Maxwell, một trong những công thức quan trọng nhất trong lĩnh vực này Lịch sử phát triển của anten có nhiều mốc quan trọng, đánh dấu sự tiến bộ trong nghiên cứu và ứng dụng sóng điện từ.

Vào năm 1886, nhà vật lý người Đức Heinrich Rudolf Hertz đã chứng minh qua lý thuyết và thực nghiệm rằng việc sử dụng một mạch dao động hở với lưỡng cực Hertz sẽ tạo ra trường phát xạ ở vùng xa lưỡng cực.

 Sau khi hoàn thành dụng cụ để chứng minh thí nghiệm của Hertz, năm

Vào năm 1897, nhà phát minh người Nga Popob đã sử dụng các dụng cụ để phát triển công nghệ vô tuyến điện, cho phép truyền tín hiệu điện báo không dây Công nghệ này có khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách lên tới 3 dặm.

 Năm 1901 : Guglielmo Marconi đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cách lớn Hệ thống này hoạt động ở tần số khoảng 60 Khz

Năm 1916 đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong lịch sử thông tin vô tuyến khi tín hiệu đã điều chế biên độ lần đầu tiên được sử dụng để truyền tải tín hiệu thoại qua sóng vô tuyến, thay thế cho việc chỉ sử dụng điện báo trước đó.

 Năm 1930: Người ta tạo được nguồn phát klystron và magnetron có khả năng phát ra tín hiệu với tần số lên đến GHz (gọi là dao động cao tần).

Từ năm 1940 đến nay, anten đã trở thành một phần quan trọng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, bao gồm truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thiên văn và điều khiển từ xa.

1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát

Hiện nay, kỹ thuật vô tuyến đã phát triển mạnh mẽ, dẫn đến việc sử dụng anten trong thông tin liên lạc ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau Dưới đây là sơ đồ của một hệ thống thu phát đơn giản.

Hệ thống phát anten đóng vai trò quan trọng trong việc bức xạ sóng điện từ, chuyển đổi tín hiệu điện thành năng lượng điện từ Khi năng lượng này đến anten thu, nó được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện, khôi phục tín hiệu về dạng ban đầu.

1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện

Truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện qua hai phương thức Một trong số đó là sử dụng các hệ thống truyền dẫn như dây song hành, cáp đồng trục và ống dẫn sóng, giúp "chuyên chở" sóng điện từ dưới dạng dòng điện Trong hệ thống này, sóng điện từ được lan truyền thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến).

Mặc dù phương pháp truyền này mang lại độ chính xác cao, nhưng chi phí xây dựng hệ thống đường truyền rất lớn Trong trường hợp khoảng cách xa hoặc địa hình phức tạp không cho phép xây dựng đường truyền hữu tuyến, phương pháp này được thay thế bằng việc phát sóng điện từ ra môi trường tự do Sóng sẽ được truyền dưới dạng sóng điện từ vô tuyến từ nơi phát đến nơi thu.

Để phát và thu sóng điện từ từ không gian, thiết bị cần thiết là anten Anten có chức năng phát sóng điện từ ra không gian và thu nhận sóng điện từ để đưa vào máy thu.

Anten là thành phần thiết yếu trong mọi hệ thống vô tuyến điện, vì mọi hệ thống này đều sử dụng sóng điện từ Do đó, việc sử dụng thiết bị bức xạ hoặc thu sóng điện từ là không thể thiếu.

Hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu, trong đó máy phát tạo ra dao động điện cao tần và truyền đi qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là fide Anten phát biến đổi dao động điện thành sóng điện từ tự do, bức xạ ra không gian, và cấu tạo của anten quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ này.

Anten thu có chức năng ngược lại với anten phát, nhiệm vụ chính của nó là tiếp nhận sóng điện từ từ không gian và chuyển đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này sau đó được truyền tới máy thu qua fide, trong khi một phần cũng sẽ được bức xạ trở lại không gian dưới dạng bức xạ thứ cấp.

THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN

2.1 Quá trình bức xạ sóng điện từ

Bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có thể bức xạ sóng điện từ, nhưng thực tế, sự bức xạ này chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định Ví dụ, trong một mạch dao động nhỏ so với bước sóng, khi có một sức điện động biến đổi, điện trường biến thiên sẽ xuất hiện trong không gian của tụ điện, trong khi từ trường biến thiên xuất hiện trong cuộn cảm Tuy nhiên, các điện trường và từ trường này thường không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch Dòng điện di chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất, dẫn đến năng lượng điện trường bị giới hạn trong không gian giữa hai má tụ điện, trong khi năng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ bên trong cuộn cảm.

Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch.

Khi kích thước của tụ điện được mở rộng, dòng điện dịch không chỉ di chuyển trong khoảng không giữa hai bản tụ mà còn lan tỏa ra môi trường xung quanh, có khả năng truyền tới những điểm xa nguồn điện.

(nguồn điện trường là các điện tích biến đổi trên hai má tụ điện).

Khi kích thước của tụ điện được mở rộng, dòng điện dịch sẽ lan tỏa nhiều hơn, tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong không gian bên ngoài Khi đạt khoảng cách xa nguồn, điện trường không còn liên hệ với điện tích trên hai mặt tụ điện, và các đường sức điện trường không tự khép kín mà bắt nguồn từ điện tích Tại những điểm xa nguồn, điện trường có thể đạt giá trị nhất định trong khi điện tích trên tụ điện biến đổi qua lại giá trị 0, dẫn đến hình thành trường xoáy Theo quy luật của điện trường biến thiên, trường xoáy này sẽ tạo ra từ trường biến đổi, tiếp tục sinh ra điện trường xoáy, hình thành quá trình sóng điện từ Năng lượng thoát ra ngoài và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ, trong khi năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn chỉ dao động gần nguồn và không tham gia vào việc tạo thành sóng điện từ được gọi là năng lượng vô công.

Một hệ thống bức xạ điện từ hiệu quả là hệ thống có khả năng thâm nhập sâu vào không gian bên ngoài thông qua sự biến thiên của điện trường hoặc từ trường Để nâng cao khả năng bức xạ, cần mở rộng không gian bao trùm của các đường sức điện trường.

Dipole Hertz là một cấu trúc bức xạ hiệu quả, được hình thành từ các hệ thống điện từ với hai tấm kim loại của tụ điện được biến dạng thành hai đoạn dây dẫn mảnh và hai quả cầu kim loại ở hai đầu Đây là một trong những nguồn bức xạ đơn giản nhất và là thành phần cơ bản để cấu tạo nên các anten dây phức tạp.

2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ

Giả sử sóng điện từ lan truyền trong môi trường không bị tổn hao, trong chế độ dao động điều hòa, giá trị tức thời của một trong các thành phần của vectơ sẽ có những đặc điểm nhất định.

E hoặc H trên trục của hệ toạ độ vuông góc sẽ có dạng:

Trong phương trình (2.1), tần số góc được ký hiệu là , với  = 2f, trong đó f là tần số, và β là hệ số pha Trục z được coi là hướng truyền sóng, và sự biến đổi pha của trường dọc theo hướng truyền sóng được xác định bởi đại lượng (t - βz) Từ đó, chúng ta có thể xác định vận tốc pha của sóng.

Vận tốc pha thể hiện mối quan hệ giữa các dao động điều hòa tại các vị trí khác nhau trong không gian, khi các dao động này đã được hình thành và ổn định ở mọi nơi.

Giả sử ở điểm z = 0 có tín hiệu biến đổi theo thời gian với quy luật f(t).

Khảo sát tín hiệu ở các điểm khác nhau trên trục z khi t > 0 cho phép chúng ta xác định hàm f(t,z) dựa trên hàm f(t,0) và các đặc tính của môi trường truyền sóng Việc áp dụng tích phân Fourier là cần thiết để phân tích và mô tả sự biến đổi của tín hiệu trong không gian và thời gian.

A( ) là mật độ phổ của hàm f(t) Theo (2.3), hàm f(t,0) là tổng của vô số các

13 dao động điều hòa với tần số  và biên độ

Nhưng khi dao động truyền lan dọc theo trục z, mỗi thành phần

 tương ứng với một song:

Vì vậy hàm f(t,z) ở mỗi thời điểm bất kỳ của trục z có thể được biểu thị dưới dạng

Ta thấy rằng sự truyền tín hiệu theo một hướng cho trước có liên quan đến sự lan truyền của tất cả các thành phần điều hoà của nó.

   là hàm số của tần số, nghĩa là       , nên tích phân Theo  trong (2.4) có thể chuyển thành tích phân theo β f(t,z)=

Giả sử phổ thực của tín hiệu được giới hạn bởi các tần số min  min = 0  và max 0

   , ngoài ra    = 0 ( 0 là tần số trung bình của phổ) Khi đó tích phân trong (2.4) sẽ được lấy trong khoảng  0      = = 0    , còn tích phân trong (2.5) sẽ được lấy trong khoảng  0      � � 0    ở đây

 là giá trị trung bình ứng với tần số trung bình 0 và vận tốc pha ở tần số ấy

(2.6)Coi  như hàm số của biến β, ta hãy khai triển chuỗi (  ) thành chuỗi lũy thừa theo    0

Với khoảng cách phân tích nhỏ, có thể chỉ cần lấy hai số hàng đầu trong dãy khai triển (2.7) Khi ấy tích phân (2.6) sẽ trở thành: Ở đây d d

Tiếp theo ta đưa biến số tích phân mới      0 , sẽ nhận được:

Giả thiết A(  ) là hàm liên tục, biến đổi chậm Khi đó trong khoảng nhỏ

[    ; 0 ] nó có thể được coi là hằng số, bằng ( )  0 Trong trường hợp này

15 trong đó  0 là argumen của số phức A( 0 )

Vì   nhỏ nên hàm số

Hàm F(t,z) được coi là biên độ của sóng cos(ω₀t - (β₀z - φ₀)), với z là hằng số, cho thấy rằng hàm này biến đổi chậm theo thời gian t và tọa độ z Điều này cho phép F(t,z) trở thành đường bao của tín hiệu f(t,z) có phổ hẹp.

Từ (2.9) khi tăng thời gian, đường bao sẽ dịch chuyển theo trục z và cực đại tại điểm 0 d 0 d t z

   Vận tốc chuyển động theo trục z của cực đại này bằng:

 nh là vận tốc nhóm Nó xác định vận tốc truyền lan của nhóm sóng hợp thành tín hiệu.

Bây giờ ta tìm quan hệ giữa vận tốc pha và vận tốc nhóm.

Nếu vận tốc pha không phụ thuộc tần số: f 0 d d

Trong vật lý, tán tần là hiện tượng mà vận tốc pha phụ thuộc vào tần số dao động Môi trường nơi xảy ra hiện tượng này được gọi là môi trường tán tần.

Hệ thống định hường mà chúng ta đang xét cũng có đặc tính trên

Còn hệ số pha: Áp dụng (2.10 ) hoặc (2.11) đối với vận tốc nhóm:

Trong môi trường không có đặc tính tán tần, tín hiệu có dạng bất kỳ sẽ được truyền đi với vận tốc  mà không bị biến đổi.

2.3 Dải tần và dải tần công tác của anten

Khi nghiên cứu anten, bên cạnh các đặc tính bức xạ năng lượng, một yếu tố quan trọng cần chú ý là dải thông tần Dải thông tần xác định khoảng tần số mà anten có khả năng hoạt động hiệu quả.

17 trong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức xạ hoặc thu phổ của tín hiệu không bị méo dạng.

Trở kháng vào của anten thường thay đổi theo tần số, điều này gây ra sự biến đổi biên độ dòng điện hoặc sức điện động thu được khi anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng như tín hiệu xung, tín hiệu số hay tín hiệu vô tuyến truyền hình Sự thay đổi này có thể dẫn đến lệch phối hợp trở kháng và xuất hiện sóng phản xạ trong fide, gây ra hiện tượng trễ pha khác nhau cho từng tần số, từ đó làm méo dạng tín hiệu Do đó, việc đảm bảo ổn định trở kháng trong suốt dải tần số làm việc là rất quan trọng.

Anten có đặc tính phương hướng phụ thuộc vào tần số, dẫn đến việc biên độ cường độ trường bức xạ thay đổi khi làm việc với tín hiệu phổ rộng Sự biến đổi này có thể gây méo dạng tín hiệu, mặc dù ảnh hưởng thường không lớn Trong thực tế, độ rộng dải tần của anten chủ yếu được xác định bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào tần số.

THUYẾT GẤN ĐÚNG VỀ CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG

3.1 Phân bố dòng trên chấn tử đối xứng

Chấn tử đối xứng là một nguồn bức xạ phổ biến trong kỹ thuật anten, được coi là một anten độc lập và hoàn chỉnh.

(anten chấn tử đối xứng), đồng thời trong nhiều trường hợp nó cũng là phần tử để kết cấu những anten phức tạp.

Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn có hình dạng tùy ý

(hình trụ, hình chóp, elíp …), có kích thước giống nhau đặt thẳng hàng trong không gian, và ở giữa được nối với nguồn dao động cao tần ( hình 3.1).

Hình 3.1: Ví dụ về chấn tử đối xứng

Khi khảo sát anten, một trong những vấn đề cơ bản là xác định trường bức xạ trong không gian và các thông số như trở kháng bức xạ và trở kháng vào của anten Để tìm trường bức xạ, cần xác định hàm phân bố dòng trên anten Đặc biệt, đối với anten chấn tử, bài toán này trở nên phức tạp hơn Mặc dù có nhiều phương pháp được đề xuất, trong bài viết này sẽ chỉ trình bày phương pháp gần đúng để xác định phân bố dòng trên chấn tử.

Giả sử chấn tử có dạng như hình 3.1a với bán kính a rất nhỏ, được làm bằng dây dẫn hình trụ mảnh Phương pháp này dựa trên sự tương tự giữa chấn tử đối xứng và đường dây song hành hở mạch đầu cuối không tổn hao, được gọi là phương pháp lý thuyết đường dây.

Đường dây song hành có thể được biến dạng thành chấn tử đối xứng bằng cách mở rộng đầu cuối cho đến khi góc giữa hai nhánh đạt 180 độ Sự mở rộng này làm mất tính đối xứng của đường dây song hành, tạo điều kiện cho hệ thống bức xạ sóng điện từ như đã đề cập trong chương 2.

Hình 3.2: Biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng

Khi biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng, quy luật phân bố dòng điện trên hai nhánh vẫn giữ nguyên, tức là vẫn duy trì dạng sóng đứng.

I b - biên độ dòng điện ở điểm bụng sóng đứng; l - độ dài một nhánh chấn tử.

Tuy nhiên giữa đường dây song hành và chấn tử đối xứng vẫn có điểm khác nhau sau:

Các thông số phân bố của đường dây, bao gồm L1 và C1, giữ nguyên giá trị dọc theo chiều dài dây Ngược lại, các thông số của chấn tử thay đổi tùy thuộc vào vị trí khác nhau trên chấn tử đối xứng.

Đường dây song hành là một hệ thống truyền dẫn năng lượng, khác với chấn tử, vốn là hệ thống bức xạ.

Trong đường dây song hành hở mạch đầu cuối, dòng điện chỉ thay đổi theo quy luật sóng đứng dạng sin khi sử dụng vật dẫn lý tưởng không tổn hao Tuy nhiên, đối với chấn tử, ngay cả khi được làm từ vật dẫn lý tưởng, vẫn xảy ra mất mát năng lượng do bức xạ Vì vậy, phân bố dòng điện trên chấn tử không tuân theo quy luật sóng đứng thuần túy dạng sin.

Đối với các chấn tử rất mảnh có đường kính 2a λ, Kessenhic đã áp dụng phương pháp điện động để giải quyết bài toán truyền sóng dọc theo dây dẫn hình trụ dài vô hạn Ông xem trở của chấn tử như là trở vào thực ở đầu các dây dẫn có sóng chạy, và từ đó đã đạt được những kết quả tính toán quan trọng.

3.3 Trở kháng vào của chấn tử đối xứng

Khi chấn tử được kết nối với máy phát cao tần, nó trở thành tải cho máy phát Trị số tải này được xác định bởi trở kháng vào của chấn tử, một đại lượng phức trong trường hợp tổng quát.

Trở kháng vào là một trong những thông số quan trọng, nó có quan hệ rất mật thiết đến chế độ làm việc của thiết bị nối với anten.

Theo định nghĩa thì trở kháng vào của chấn tử đối xứng bằng tỷ số điện áp vào của chấn tử Uv và dòng điện đầu vào Iv iX v v v v v

Chấn tử được coi như một đường dây song hành có tổn hao, trong đó điện trở bức xạ của chấn tử được biểu thị thành điện trở tổn hao phân bố trên dây Vì vậy, có thể áp dụng công thức xác định trở vào của đường dây song hành có tổn hao, hở mạch đầu cuối, với việc thay thế hệ số suy giảm bằng biểu thức tương ứng.

Và thay trở sóng đường dây song hành ρ phi đơ thành trở sóng của anten ρ A và với chú ý βl