Bài giảng Chương 5: Anten chấn tử môn Truyền sóng và anten | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng Email: nvhung_vt1@ptit.edu.vn Tel: *** Bộ môn: Vô tuyến Khoa: Viễn Thông 1 Học kỳ/Năm biên soạn: II/2014 www.ptit.edu.vn CHƯƠNG 5: ANTEN CHẤN TỬ
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 2
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung • 5.1 Giới thiệu chung
• 5.2 Anten chấn tử ối xứng • 5.3 Anten chấn tử ơn
• 5.4 Anten nhiều chấn tử
• 5.5 Câu hỏi và bài tập
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 3
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung • 5.1 Giới thiệu chung
• 5.2 Anten chấn tử ối xứng • 5.3 Anten chấn tử ơn
• 5.4 Anten nhiều chấn tử
• 5.5 Câu hỏi và bài tập
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 4
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN 5.1 – Giới thiệu chung
• Anten chấn tử, còn ược gọi là anten dipol (ngẫu cực), sử dụng chấn
tử làm phần tử bức xạ sóng iện từ.
• Kết cấu ơn giản, tương tự như ường dây dẫn song song hở mạch ở một ầu. • Các loại anten chấn tử iển hình:
• Anten chấn tử ối xứng • Anten chấn tử ơn • Anten nhiều chấn tử
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 5
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung • 5.1 Giới thiệu chung
• 5.2 Anten chấn tử ối xứng • 5.3 Anten chấn tử ơn
• 5.4 Anten nhiều chấn tử
• 5.5 Câu hỏi và bài tập
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 6
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng • Khái niệm
• Là cấu trúc gốm hai vật dẫn hình dạng tuỳ ý:
• Kích thước giống nhau, ặt thẳng hàng trong không gian
• Điểm giữa (ối xứng) nối với nguồn tín hiệu cao tần.
• Có thể kết hợp nhiều chấn tử ể tăng tính hướng
Hình 5.1: Anten chấn tử ối xứng
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 7
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng • Phân bố dòng iện: • Tương quan chấn tử ối xứng và ường dây song hành
Hình 5.2: Tư ng quang giữa anten chấn tử ối xứng và ường dây song hành
• Với chấn tử mảnh (d << 0,01 λ), iểm khảo sát ở xa (r >> λ): Coi là tương quan.
Phân bố dòng iện trên chấn tử ối xứng có dạng sóng ứng: I z
z Ib sin k l z
(5.1) Ib : Biên ộ dòng iện ở iểm bụng sóng
l: ộ dài của một nhánh chấn tử Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 8
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng • Phân bố iện tích
kIb cos kl z z 0 i (5.2) Q kI b cos kl z z 0 i
Hình 5.3: Phân bố dòng iện và iện tích trên anten chấn tử ối xứng
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 9
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng • Phân bố iện tích
kIb cos kl z z 0 i (5.2) Q kI b cos kl z z 0 i
Hình 5.3: Phân bố dòng iện và iện tích trên anten chấn tử ối xứng
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 10
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Bức xạ của chấn tử ối xứng trong không gian tự do • Bài toán:
• Chấn tử ối xứng chiều dài 2l ặt trong không gian tự do
• Khảo sát trường tại iểm M cách chấn tử r0 >> λ, tạo với phương của chấn tử một góc θ
• Xác ịnh cường ộ trường:
• Chia chấn tử thành các phần tử nhỏ dz << λ.
• Mỗi phần tử tương ương với 1 chấn tử iện: • Chiều dài dz • Khoảng cách r
• Mật ộ dòng không ổi Iz do r r1 r0 zcos r2 r0 zcos
Hình 5.4: Các tham số tính trường bức xạ của chấn tử ối xứng
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 11
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Xác ịnh cường ộ trường
• Trường do phần tử dz tại nhánh 1 và nhánh 2 gây ra: 60 I dz dE1 i z sin e ikr1i r1 (5.2)
dE 2 i 60 I dzz sin e ikr2 i r2
• Cường ộ trường tổng hợp của 2 phần tử
dE1 dE2 Iz Ib.sin k l. z (5.3) dE
dE i 60 I dzb sin sin k l z e ikr0 eikzcos e ikzcos i r0
dE i 60 I dzb sin sin k l z
e ikr0.2 cos kzcos i (5.4) r2
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 12
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Điện trường do toàn bộ chấn tử gây ra tại M: l 0 60 I c kl b os cos coskl ik 0r i (5.5) e . i 0 r sin 60 Ib ik 0r i e f . i 0 r E dE E 60Ib f Không phụ thuộc φ (5.6) r0
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 13
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng • Hàm tính hướng và ồ thị tính hướng
• Hàm tính hướng biên ộ: cos kl f
, f cos klcos (5.7) sin
Trong mặt phằng H vuông góc với trục của chấn tử, có θ là hằng số, hàm tính hướng
chỉ phụ thuộc vào ‘kl’ hay ộ dài tương ối (l/λ)
• Trường hợp chấn tử ngắn, l << λ (hoặc l < λ/4) 2 2
(x nhỏ) cosx 1 x f kl sin (5.8) 2 2 sin (5.9) F
Tương tự chấn tử iện: có hướng ở mặt phẳng E chứa trục chấn tử, vô hướng ở mặt
phẳng H vuông góc với trục chấn tử, cực ại ở hướng vuông với trục
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 14
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng • Hàm tính hướng và ồ thị tính hướng
• Hàm tính hướng biên ộ: cos cos cos cos cos 2 2 2 kl (5.10) f 2 sin sin
• Chấn tử toàn sóng, l = λ /2 2 2 cos cos cos cos cos 2 kl f (5.11) sin sin
• Chấn tử nửa sóng, l = λ/4
Đồ thị phương hướng hẹp hơn
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 15
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng • Hàm tính hướng và ồ thị tính hướng
• Hàm tính hướng biên ộ:
• Chấn tử dài, l > λ/2:
• Trên mỗi nhánh xuất hiện dóng iện ngược pha
• Tại hướng vuông góc, không có sai pha về ường i, nhưng do có dòng ngược pha
nên cường ộ trường tổng giảm (búp chính thu hẹp lại)
• Tại các hướng khác (có sai pha về ường i), sai pha ược bù trừ bởi sai pha về dòng
iện nên xuất hiện các búp sóng phụ. Khi l = λ, bốn búp phụ trở thành 4 búp sóng chính.
Tính hướng của chấn tử ối xứng phụ thuộc vào chiều dài iện: l/λ
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 16
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng
• Đồ thị tính hướng của chấn tử ối xứng trong mặt phẳng E (Vuông góc)
Hình 5.5: Đồ thị phư ng hướng của chấn tử ối xứng trong mặt phẳng E
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 17
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng
• Đồ thị tính hướng của chấn tử ối xứng l = λ/4 l = λ/2 l = λ
Hình 5.6: Đồ thị phư ng hướng của chấn tử ối xứng trong không gian 3D
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 18
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng
• Đồ thị tính hướng của chấn tử ối xứng l = λ/4 l = λ/2 l = 1,5λ
Hình 5.6: Đồ thị phư ng hướng của chấn tử ối xứng trong không gian 3D
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 19
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN 5.2
– Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng • Công suất bức xạ
• Công suất bức xạ qua diện tích ds 2 E dP S dE (5.12) tb s Hd h . h s s d 2 Z
• Công suất bức xạ của chấn tử Thay E từ (5.5) và S tb E = 0 2 /120 π P ZI2 2br2 2 cos klcossin cos kl 2r2 sin d d 8 Ib2 cos klcos cos kl
2d Không phụ thuộc φ (5.13) 30 0 sin
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 20
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN 5.2
– Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng • Điện trở bức xạ • Tại iểm bụng 1 2 P b . IR 2 b 2 co s kl co s co s kl R (5.14) b 60 d sin 0
Hình 5.7: Điện Nhận xét:
trở bức xạ vs ộ dài tưng ối
• Khi l/λ nhỏ, giống dipol iện, tăng l cho dòng ồng pha tăng => tăng RΣ
• Khi l > λ/2 , xuất hiện dòng ngược pha, => giảm RΣ
• Điện trở bức xạ dao ộng với cực ại ở ộ dài là bội số chẵn của λ/4 và cực tiểu
ở ộ dài là bội số lẻ của λ/4
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 21
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng • Hệ số tính hướng E , 2.2 r2 D ZP D Z max D 1 cos kl 2 (5.15) 2 R b Nhận xét: •
Khi l/λ ≤ 0,675: Bức xạ của anten ạt cực ại ở hướng θ = ± 𝜋 , 2
Tăng l => D tăng
• Khi l/λ > 0,675: Tăng l => D giảm do búp sóng chính giảm
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 22
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng • Trở kháng sóng
• Trở kháng sóng dây sóng hành A 0 0 276.lg D (5.16) Z C r
C: D: iệnKhoảng dung phân cách tâm hai
dây bố của ườngdẫn dây r: bán kính dây dẫn
• Chấn tử ối xứng với iện dung phân bố thay ổi: • Với l < λ A 2rl 1 (5.17) Z 120 ln
• Với l > λ (Công thức Kesenich) Z A 120 ln r E
E: hằng số EulerE ≈ 0,577 (5.18) 23
Bộ môn: Vô Giảng viên: TuyếnNguyễn – Khoa ViệtViễn Hưng Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng • Trở kháng vào
• Đường dây sóng hành hở mạch ầu cuối có trở kháng vào: in iZAcotg kl (5.19) X
• Chấn tử ối xứng năng lượng bức xạ ra không gian sinh công nên có thành phần
iện trở bức xạ ầu vào óng vai trò thuần trở in R2 (5.20) R kl sin
• Trở kháng vào của chấn tử: in Rin
jXin R2 iZAcotg kl (5.21) Z sin lk Với l < 0,75 λ
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 24
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng • Trở kháng vào 𝑙
Hình 5.8: Sự phụ thuộc của Zin vào tỉ lệ 𝜆 • Nhận xét:
• Chấn tử ngắn (l < λ/4): Cotg > 0 nên Xin < 0, trở kháng mang tính dung
• Chấn tử nửa sóng (l = λ/4): cotg = 0, Zin = Rin = 73,1Ω, Cộng hưởng nối tiếp
• (λ/4 < l < λ/2): cotg < 0 nên Xin > 0, trở kháng mang tính cảm
• Chấn tử toàn sóng (l = λ/2): cotg = 0, Zin = Rin = ∞, Cộng hưởng song song
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 25
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Tham số của chấn tử ối xứng
• Chiều dài hiệu dụng
• Khái niệm: là chiều dài tương ương của một chấn tử có dòng iện phân bố ồng ều và
bằng dòng iện ầu vào của chấn tử thật, với diện tích phân bố dòng iện tương ương 1 l l hd I z dz I0 l lhd 1 cos(kl) (5.22) sin( )kl Nhận xét: kl
• Chấn tử ngắn l hd tg( ) l 2
Bằng nửa chiều dài chấn tử thật
Hình 5.9: Chiều dài thực và chiều dài hiệu
• Chấn tử nửa sóng (2l = λ/2) → lhd = λ/𝜋
dụng của chấn tử ối xứng
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 26
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Ảnh hưởng của mặt ất lên bức xạ của chấn tử ối xứng
• Phương pháp ảnh gương
• Bức xạ của chấn tử trong môi trường thực bị ảnh hưởng của các vật dẫn ở gần
• Trường bức xạ của anten làm phát sinh sóng thứ cấp → Nguồn bức xạ thứ cấp
• Cường ộ trường tại iểm thu là giao thoa giữa trường sơ cấp và thứ cấp
• Coi ảnh hưởng của nguồn thứ cấp là do chấn tử ảnh
Hình 5.9: Chấn tử thật và chấn tử ảnh
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 27
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Ảnh hưởng của mặt ất lên bức xạ của chấn tử ối xứng
• Phương pháp ảnh gương
• Ảnh hưởng của mặt ất ược xác ịnh bằng phương pháp ảnh gương
• Tác dụng của dòng thứ cấp tương ương với một chấn tử ảo là ảnh của chấn tử thật qua mặt
phân cách giữa hai môi trường → chấn tử ảnh
• Dòng iện trong chấn tử ảnh có biên ộ bằng biên ộ của dòng iện trong chấn tử thật, pha tùy
thuộc phương của chấn tử thật trên mặt ất:
• Song song => ngược pha; Vuông góc => ồng pha
• Bức xạ tổng hợp sẽ tương ương với hệ hai chấn tử có khoảng cách 2h ặt trong không gian tự do
• Giải quyết bài toán theo lý thuyết phản xạ sóng phẳng Quan hệ dòng iện : I (5.23) a
It Re i px px I
a: dòng iện trên chấn tử ảnh
I t: dòng iện trên chấn tử thật R E px : Modul của n = E n’ hệ số phản xạ
φ px : Góc pha của hệ số phản xạ
Hình 5.10: Nguyên lý ảnh gư ng
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 28
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Ảnh hưởng của mặt ất lên bức xạ của chấn tử ối xứng
• Bức xạ của chấn tử ối xứng trên mặt ất
• Xem như 2 chấn tử ối xứng
• Cường ộ trường tại iểm M tại khoảng cách xa klsin cos kl (5.24) F0( ) cos 1 cos klcos E E F1 0 0( ) (5.25) E ER e 2 1 px i (5.26) px 2khsin E E E i 2khsin 1 2 E F00 1 R epx (5.27) px E E F 2 0 0 1 Rpx 2Rpxcos px 2khsin
(5.28) Hình 5.11: Chấn tử ối xứng ặt nằm ngang so với mặt ất
E0: Cường ộ trường của chấn tử ở hướng bức xạ cực ại
F0(Δ): hàm tính hướng chuẩn hóa của chấn tử trong mặt phẳng khảo sát
E1: biên ộ cường ộ trường của chấn tử ối xứng trong không gian tự do
E2: biên ộ cường ộ trường của chấn tử ảnh Δ: Hướng khảo sát
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 29
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Ảnh hưởng của mặt ất lên bức xạ của chấn tử ối xứng
• Bức xạ của chấn tử ối xứng ặt nằm ngang
• Hai chấn tử có dòng iện ngược pha
• Chấn tử ặt nằm ngang nên ở mặt phẳng vuông góc với trục và i qua tâm chấn tử có F0(Δ) = 1
• Với mặt ất dẫn iện lý tưởng có R = 1 và φ = π EE (5.29) 0 cos 2 khsin 2 0 EF F (5.30) sin( kh sin )
• F( Δ ) Thể hiện ảnh hưởng của mặt ất thông qua chấn tử ảnh
Hình 5.11: Đồ
2 1 thị tính hướng của chấn tử ối xứng ặt nằm ngang trên mặt ất (mp H)
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 30
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Ảnh hưởng của mặt ất lên bức xạ của chấn tử ối xứng
• Bức xạ của chấn tử ối xứng ặt thẳng ứng
• Hai chấn tử có dòng ồng pha
• Với mặt ất dẫn iện lý tưởng có R = 1 và φ = π 0 0 cos klsin cos kl (5.31)
F( ) F ( ) cos khsin F ( ) 1 cos kl cos ( ) ( ) E 2E F 0 (5.32)
Hình 5.11: Đồ thị tính hướng của chấn tử ối xứng ặt thẳng ứng trên mặt ất (mp E)
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 31
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Hệ hai chấn tử ối xứng ặt gần nhau
• Bức xạ của hệ hai chấn tử ối xứng ặt gần nhau
• Để tạo hệ anten tổng hợp có tính hướng thay ổi
• Quan hệ dòng trong hai chấn tử I2 i 2
a2: tỷ số biên ộ dòng iện của chấn tử 2 và chấn tử 1 a e2 (5.33)
ψ2: góc sai pha của dòng iện trong chấn tử 2 so với dòng trong I 1 chấn tử 1
Hình 5.12: Hệ 2 chấn tử ối xứng ặt song song gần nhau
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 32
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
5.2 – Anten chấn tử ối xứng
• Hệ hai chấn tử ối xứng ặt gần nhau
• Bức xạ của hệ hai chấn tử ối xứng ặt gần nhau
• Cường ộ trường tại iểm khảo sát E E M 1 E2 ik e ikr1
1 a e2 i 2eikdcos (5.34) E f 4 r
• Hàm tính hướng tổng hợp f
k 1 a e2 i e 2 ikdcos (5.35)
Phụ thuộc các giá trị khá nhau của d/λ và a2eiψ2
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 33
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN