Anten chấn tử đối xứng

m tính hướng biên độ chuẩn hóa: với j = const (1.16) với q = const Như vậy hàm tính hướng của dipol chỉ phụ thuộc vào góc q mà không phụ thuộc vào góc j, nghĩa là trường bức xạ của dipol điện có tính hướng trong mặt phẳng E và vô hướng trong mặt phẳng H. Nếu chỉ xét một mặt phẳng đi qua tâm của dipol điện thì ở mọi phương khảo sát trong mặt phẳng đó đều có góc q = 900 nên hàm tính hướng trong mặt phẳng H sẽ là . Đồ thị phương hướng của đipol điện được cho ở hình sau: 2D 3D c) Tọa độ vuông góc 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 3600 00 1800 3600 00 1800 j0 q0 F(j) F(q) Hình 1.5. Đồ thị phương hướng của dipol điện Công suất bức xạ của đipol điện được xác định bằng cách tích phân (1.17) Điện trở bức xạ của dipol điện (1.18) Như vậy điện trở bức xạ phụ thuộc vào chiều dài tương đối /l của dipol và các thông số của môi trường. Hệ số hướng tính của dipol (1.19) b. Dipol từ Tương tự như dipole điện, dipol từ là một phần tử dẫn từ thẳng rất mảnh, có chiều dài nhỏ hơn nhiều so với bước sóng công tác, trên đó có dòng từ có phân bố biên độ và pha đồng đều ở tất cả mọi điểm. Khảo sát trường bức xạ của dipol từ tương tự như dipol điện, ta thu được biểu thức sau (1.20) Trong thực tế không có dòng từ mà chỉ có dòng từ tương đương, nghĩa là chỉ có phần tử trên đó tồn tại thành phần tiếp tuyến của điện trường. Khi điện trường bức xạ của dipol điện có giá trị bằng điện trường bức xạ của dipol từ thì dòng từ của dipol từ phải có giá trị gấp Z lần dòng điện của dipole điện, nghĩa là : Nếu mômen điện và mô men từ của hai dipol bằng nhau thì trường tạo ra bởi dipol từ sẽ nhỏ hơn trường tạo ra bởi dipol điện Z lần, điều đó có nghĩa công suất bức xạ của dipol từ nhỏ hơn công suất bức xạ của dipol điện Z2 lần. Công suất bức xạ của đipol điện được xác định: (1.21) Điện dẫn bức xạ của dipol từ (1.22) x z Im r q j y a) b) Ej Hq Im Hq Ej Im a) Hình vẽ tính bức xạ của dipol từ b) Phân bố dòng và trường của dipol từ Hình 1.6. Khảo sát trường bức xạ của dipole từ 1.2: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 1.2.1: Khái niệm, cấu tạo và ứng dụng của Anten chấn tử đối xứng Chấn tử đối xứng là loại Anten đơn giản nhất và là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng khá phổ biến. Chấn tử đối xứng có thể sử dụng như một Anten độc lập hoặc có thể được sử dụng để cấu tạo các Anten phức tạp khác. Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn có hình dạng tuỳ ý( hình trụ, hình chóp, elipsoit…) có kích thước giống nhau, đặt thẳng hàng trong không gian, và ở giữa chúng được nối với nguồn dao động cao tần. Hình 1.7: Chấn tử đối xứng Chấn tử có dạng như hình vẽ trên, với một dây gồm hai nửa thẳng hàng, chiều dài l và 2l hoặc l/2 và l. Giả thiết với a là bán kính dây. Trong một số tài liệu kỹ thuật, người ta dùng thuật ngữ Anten dipol ( Anten lưỡng cực) để chỉ cho chấn tử đối xứng. Anten chấn tử đối xứng là việc ở các dải sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng dài và sóng trung. Nhưng chủ yếu được ứng dụng trong dải sóng ngắn và sóng cực ngắn làm Anten thu và phát. Trong các dải sóng này Anten có thể làm việc độc lập hoặc làm việc phối hợp. Trong dải sóng cực ngắn chấn tử đối xứng còn được sử dụng làm bộ chiếu xạ cho các Anten phức tạp khác(vd: Anten gương parabon). 1.2.2 Các dạng khác của Anten chấn tử a. Các dạng khác của chấn tử đơn giản Chấn tử đơn giản được ứng dụng phổ biến nhất là chấn tử nửa sóng. Phụ thuộc vào cách tiếp điện ta có các dạng Anten sau: Chấn tử kiểu Y Chấn tử kiểu Y là chấn tử nửa sóng được tiếp điện bằng dây song hành mắc song song. Hai nhánh chấn tử được nối ngắn mạch ở giữa còn dây song hành được nối vào 2 điểm A-A trên chấn tử. Chấn tử kiểu Y cho phép phối hợp tốt chấn tử và fide song hành ở một tần số nhất định, không cần mắc thêm phần tử điều chỉnh phụ. Ngoài ra ta có thể nối trực tiếp điểm giữa của chấn tử với cột hoặc giá đỡ kim loại mà không cần cách điện vì điểm giữa chấn tử trong trường hợp này chính là điểm nút diện áp. Chấn tử kiểu T Cũng là một chấn tử nửa sóng được tiếp điện bằng dây song hành mắc song song. Điểm khác là trong trường hợp này đoạn fide chuyển tiếp đã biến dạng thành dây dẫn song song với chấn tử nên có sự kahcs biệt về trở kháng sóng. Chấn tử kiểu T là một hình thức trung gian. Nó có thể biến đổi để tạo thành sơ đồ chấn tử kiểu khác, trong đó có chấn tử vòng dẹt và chấn tử omega. b. Một số kỹ thuật giảm nhỏ kích thước chấn tử làm việc ở dải xóng dài và sóng trung Yêu cầu giảm nhỏ kích thước Anten là một trong những yêu cầu cấp bách đối với kỹ thuật viễn thông hiện nay. Ở dải sóng dài và sóng trung, do bước sóng lớn nên kích thước Anten khá đồ sộ, rất tốn kém trong xây dựng và bảo quản.Để giảm nhỏ kích thước của Anten ta có một số biện phá như sau: Dùng tải điện kháng(dung tính hay cảm tính) để điều chỉnh phân bố dòng điện. Thực hiện Anten bằng kết cấu có vận tốc pha nhỏ(kết cấu sóng chậm). Kết hợp Anten với mạch tích cựu. Phương pháp dùng tải điện kháng Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng quyết định đến việc hình thành đồ thị phương hướng bức xạ là quy luật phân bố dòng điện dọc theo chấn tử. Ở phương pháp này để thay đổi phân bố dòng điện trên chấn tử ta mắc ở đầu cuối của nó tải thuần kháng dung tính có dạng khối kim loại hình đĩa hoặc hình cầu. Phân bố dòng điện trong trường hợp này có thể được xác định theo phương pháp gần đúng, khi coi chấn tử tương đương với một đoạn dây song hành mắc tải điện dung ở đầu cuối. Do mắc tải nên trở kháng đầu cuối có giá trị hữu hạn, dòng điện đầu cuối sẽ khác không, nghĩa là phân bố dòng điện sẽ tương tự trường hợp chấn tử được kéo dài thêm một đoạn. Như vậy một chấn tử đối xứng có tải chiều dài mỗi nhánh có thể được thay thế bằng một chấn tử đối xứng không tải với độ dài mỗi nhánh bằng: . Trong đó: Asin =1 Acos Hàm phân bố dòng điện: Trong đó: Ic là dòng điện ở cuối chấn tử(chỗ mắc tải). z là tọa độ điểm khảo sát tính từ đầu vào chấn tử. Cường độ bức xạ của chấn tử: Trong đó: Hình vẽ vẽ đồ thị phương hướng của chấn tử đối xứng mắc tải điện dung có ; ứng với các giá trị khác nhau của tải (). Trên hình cũng vẽ đồ thị phương hướng của chấn tử không tải với (đường gạch chấm). Khảo sát đồ thị trên rút ra được một số kết luận thực tế, quan trọng là có thể bảo toàn dạng của đồ thị phương hướng của chấn tử khi giảm nhỏ kích thước của chúng bằng cách mắc tải điện dung thích hợp ở đầu cuối chấn tử. Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để thiết lập các Anten sóng dài và sóng trung, cho phép giảm nhỏ kích thước của Anten khoảng 20-30%. Ở trên ta khảo sát phương pháp giảm nhỏ kích thước bằng cách mắc tải dung tính ở đầu cuối để phân bố dòng điện. Việc này cũng có thể thực hiện được bằng cách mắc tải càm tính nối tiếp tại điểm giữa trên hai nhánh chấn tử. Trong một vài trường có thể sử dụng hỗn hợp cả hai cách để đạ được hiệu quả cao hơn. Phương pháp dùng đường dây sóng chậm Việc giảm nhỏ kích thước của chấn tử có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các đường dây sóng chậm. Về nguyên tắc có thể sử dụng bất cứ đường dây sóng chậm nào mà đối với nó có thể áp dụng khái niệm trở kháng bề mặt (hay ipedang bề mặt), nghĩa là khi trên mặt ngoài của nó có các thành phần tiếp tuyến của điện trường và từ trường có giá trị khác không. Tuy nhiên việc lựa chọn loại đường dây sóng chậm xuất phát từ các yêu cầu có liên quan đến thong số cảu các kết cấu ấy, trong đó hai thông số quan trọng là hệ số chậm và hệ số suy giảm của kết cấu. Thông số hệ số chậm có ảnh hưởng đến khả năng rút ngắn kích thước của Anten, thông số hệ số suy giảm ảnh hưởng đến hiệu suất của Anten. Các đường dây sóng chậm thường gặp là các dây dẫn kim loại có phủ lớp điện môi hoặc ferit, trục kim loại hình răng lược. Các chấn sử dụng loại dây sóng chậm này được gọi là chấn tử impedang. Sử dụng các đường truyền sóng chậm để thiết lập Anten chấn tử cho phép nhận được hệ số rút ngắn Anten khoảng 2-5 lần (hệ số rút ngắn Anten được định nghĩa bằng tỷ số giữa tần số cộng hưởng của chấn tử kim loại thường có cùng chiều dài và tần số cộng hưởng của chấn tử làm bằng đường dây sóng chậm). Các chấn tử impedang có nhược điểm là phải sử dụng các vật liệu điện môi hược từ môi gây tổn hao trong các môi trường ấy và do đó làm giảm hiệu suất của Anten. Để khắc phục có thể thay thế môi trường bao quang dây dẫn(điện môi hay ferit) bởi đường dây xoắn. Kết hợp Anten với các phần tử tích cực Biết rằng khi đơn thuần giảm nhỏ kích thước của Anten thì độ dài hiệu dụng của Anten cũng đồng thời giảm đi và sẽ dẫn đến giảm sức điện động nhận được ở đầu ra Aten khi Anten làm việc ở chế độ thu và giảm cường độ trường bức xạ của Anten khi Anten làm việc ở chế độ phát. Để đảm bảo đặc tính của Anten khi giảm nhỏ kích thước cần có biện pháp bù lại sự giảm độ dài hiệu dụng của Anten. Một trong những biện pháp có hiệu quả để khắc phục nhược điểm khi giảm nhỏ kích thước Anten là kết hợp Anten với các phần tử (hay mạch) tích cực. Ta gọi Anten là Anten tích cực.việc hợp nhất Anten và mạch nếu thực hiện tốt sẽ tạo ra một cấu trúc hợp lý để cải thiện đặc tính của Anten, và trong một số trường hợp còn có thể tạo ra cho Anten một số chức năng mới mà ở các Anten thường không có. Ngoài ra khi kết hợp Anten và mạch thì giữa Anten và máy thu hay máy phát không cần các phần tử phối hợp điều chỉnh như các trường hợp thông thường, giảm bớt chiều dài fide mắc giữa Anten và thiết bị thu –phát, do đó giảm tổn hao cao tần và giảm tạp âm nhiệt của Anten. Cần lưu ý rằng kết hợp Anten với mạch tích cực thì sự cải thiện hệ số tăng ích Anten không có liên quan đến việc cải thiện giản đồ hướng tính. Trong các trường hợp này hàm phương hướng chuẩn hóa của Anten vẫn chỉ được quyết định bởi độ dài thực của Anten và do đó giảm nhỏ kích thước Anten cũng vẫn dẫn đến giảm hướng tính, nghĩa là dẫn đến mở rộng đồ thị phương hướng. Tuy nhiên, việc kết hợp Anten với phần tử hay mạch tích cực trong một số trường hợp cho phép dễ dàng sử dụng Aanten làm phần tử của các hệ thống bức xạ để thiết lập đồ thị phương hướng theo yêu cầu cho trước, để thiết lập Anten điều khiển đồ thị phương hướng bằng phương pháp điện hay hệ thống bức xạ có thực hiện bước đầu việc sử lý tín hiệu. Chương II CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 2.1 PHÂN BỐ DÒNG ĐIỆN TRÊN ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG Một trong những vấn đề cơ bản khi khảo sát các Anten là xác định trường bức xạ tạo ra trong không gian và các thông số của Anten. Như vậy cần biết phân bố dòng điện trên Anten đó. Có thể sử dụng lý thuyết đường dây song hành để xác định phân bố dòng điện trên chấn tử đối xứng dựa trên suy luận về sự tương tự giữa chấn tử và đường dây song hành hở mạch đầu cuối không tổn hao. Một đường dây song hành hở mạch dầu cuối, nếu mở rộng hai nhánh của đường dây ra 1800 ta sẽ được chấn tử đối xứng. Việc mở rộng này làm mất tính đối xứng của đường dây song hành và làm cho sóng điện từ bức xạ ra không gian bên ngoài tạo thành Anten. z a) b) Hình 2.1: Sự tương quan giữa chấn tử đối xứng và đường dây song hành Giả sử khi biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng thì quy luật phân bố dòng điện trên hai nhánh vẫn không thay đổi, nghĩa là vẫn có dạng sóng đứng: (2.1) Trong đó Ib là biên độ dòng điện ở điểm bụng sóng đứng. là độ dài một nhánh chấn tử. Tuy nhiên, những suy luận về sự tương tự nêu trên chỉ có tính chất gần đúng vì giữa hai hệ thống này có những điểm khác biệt, đó là: - Các thông số phân bố của đường dây không biến đổi dọc theo dây, còn các thông số phân bố của chấn tử thì biến đổi ứng với các vị trí khác nhau trên chấn tử. - Đường dây song hành là hệ thống truyền dẫn năng lượng sóng điện từ còn chấn tử đối xứng là hệ thống bức xạ. - Trên đường dây song hành không tổn hao, hở mạch đầu cuối, dòng điện chỉ biến đổi theo quy luật sóng đứng thuần túy, dạng sin, còn đối với chấn tử luôn có sự mất mát năng lượng do bức xạ (mất mát hữu ích). Do đó nói một cách chính xác thì phân bố dòng điện trên chấn tử sẽ không theo quy luật sóng đứng hình sin. Tuy nhiên với các chấn tử rất mảnh (đường kính << 0,01l) khi tính trường ở khu xa dựa theo giả thiết phân bố dòng điện hình sin cũng nhận được kết quả khá phù hợp với thực nghiệm. Vì vậy, trong phần lớn các tính toán kỹ thuật có thể cho phép áp dụng giả thiết gần đúng về phân bố dòng điện sóng đứng hình sin. Biết quy luật phân bố của dòng điện trên chấn tử sẽ xác định được quy luật phân bố gần đúng của điện tích bằng cách áp dụng phương trình bảo toàn điện tích. Có thể giả thiết dòng điện trên chấn tử chỉ có thành phần dọc Iz, điện tích nằm trên bề mặt dây và có mật độ dài Qz. Ta có phương trình bảo toàn điện tích có dạng (2.2) Trong đó Iz = 2paJz: biên độ dòng điện tại tọa độ z của chấn tử Jz mật độ dòng điện mặt Qz điện tích mặt trên một đơn vị chiều dài chấn tử Giải phương trình (2.1) trong đó thay Iz bởi phương trình (1.6) ta được điện tích phân bố trên một đơn vị dài chấn tử là: (2.3) Khi nghiên cứu về anten chấn tử người ta thường sử dụng độ dài tương đối so với bước sóng. Ký hiệu: Xét trong một số trường hợp: : : chấn tử nửa sóng : trường hợp giới hạn Phân bố dòng điện và điện tích trên chấn tử đối xứng được chỉ trong hình vẽ Hình 2.2: Phân bố dòng điện và điện tích trên chấn tử đối xứng 2.2 TRƯỜNG BỨC XẠ CỦA ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 2.2.1 Điều kiện xét Một chấn tử đối xứng có chiều dài được đặt trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ (môi trường không gian tự do). Xét trường bức xạ của chấn tử tại một điểm M, cách tâm chấn tử một khoảng r khá xa nguồn, ở hướng mà đường thẳng nối điểm M với tâm chấn tử hợp với trục chấn tử một góc q. 2.2.1 Tính cường độ trường Xét trong mặt phẳng chứa 0z, đẳng hướng theo j, đặc tính hướng phụ thuộc Dr q M ro r1 r2 z Hình 2.3: Mô tả các thông số tính trường bức xạ của chấn tử đối xứng trong không gian tự do Chia chấn tử thành các đoạn dz vô cùng bé (dz<<l), xét trường do đoạn dz gây ra tại M. Vì dz << l nên nó tương đương như một dipol điện với dòng điện trên nó là Iz xác định theo công thức (2.1). Điện trường tại M do dz trên hai nhánh chấn tử gây ra được xác định theo công thức: (2.4) Sẽ là: (2.5) Trong đó (2.6) Thay các công thức (2.6) và (2.1) vào (2.5) và bỏ qua đại lượng vô cùng bé ở thành phần biên độ ta có: (2.7) Điện trường do hai đoạn dz vô cùng bé trên hai nhánh của chấn tử đối xứng gây ra tại M sẽ là: (2.8) Điện trường do toàn bộ chấn tử gây ra tại M sẽ tìm được bằng cách lấy tích phân điện trường do dz ở trên hai nhánh chấn tử gây ra tại M, trong toàn bộ chiều dài của một nhánh: (2.9) Hay (2.10) 2.3 CÁC THAM SỐ CỦA CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 2.3.1. Hàm tính hướng và đồ thị phương hướng So sánh công thức (2.9) và (2.10) ta thấy hàm tính hướng biên độ của chấn tử đối xứng trong mặt phẳng E sẽ là: (2.11) Trong mặt phẳng H (mặt phẳng vuông góc với trục chấn tử) góc 0 là hằng số ở mọi hướng nên trong công thức… sin và cos bằng hằng số, bởi vậy hàm tính hướng trong mặt phẳng này chỉ phụ thuộc vào gias trị k/l. Nói chung trong mặt phẳng H chấn tử bức xạ vô hướng. Nếu mặt phẳng khảo sát đi qua tâm chấn tử thì trong mặt phẳng H ta có: (2.12) 2.3.2 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hệ số tính hướng Công suất bức xạ của chấn tử đối xứng có thể được xác định theo phương pháp vec tơ Poyting, giống như khi tính toán cho dipol điện. Ta tính tổng thông lượng của vec tơ Poyting qua một mặt cầu bao bọc chấn tử, khi mặt cầu có bán kính khá lớn so với bước sóng công tác, hình 2.4 Hình 2.4 Xác định công suất bức xạ của chấn tử đối xứng Công suất bức xạ của chấn tử truyền qua diện tích vi phân ds là: (2.13) Thay Stb = E02/120p và E trong công thức (2.9) vào (2.16) ta được (2.14) Tương tự như đối với dipol điện, ta cũng có định nghĩa về công suất bức xạ của chấn tử đối xứng là đại lượng biểu thị quan hệ giữa công suất bức xạ và bình phương dòng điện trên chấn tử. Tuy nhiên, do dòng điện có phân bố không đồng đều dọc theo chấn tử nên khi biểu thị công suất bức xạ qua biên độ dòng điện tại vị trí nào đó trên chấn tử (ví dụ qua dòng điện đầu vào, hay qua dòng điện tại điểm bụng sóng đứng…) thì sẽ có điện trở bức xạ tương ứng (điện trở bức xạ ứng với dòng điện điểm vào, điện trở bức xạ ứng với dòng điện ở điểm bụng…). Điện trở bức xạ của chấn tử đối xứng tính theo dòng điện ở điểm bụng được xác định theo công thức: (2.15) Lời giải đầy đủ của hàm tích phân trong công thức (2.15) cho trường hợp bất kỳ sẽ là: (2.16) Trong đó: E = 0,5772 là hằng số Euler Công thức trên chỉ gần đúng bởi vì khi tính toán đã dựa vào giả thiết phân bố dòng điện trên chấn tử là hình sin. Trong thực tế, việc xác định điện trở bức xạ của anten thường dùng đồ thị. Giá trị của điện trở bức xạ ứng với dòng điện tại điểm bụng chỉ phụ thuộc vào chiều dài tương đối của chấn tử. Hình 2.5 mô tả sự phụ thuộc của điện trở bức xạ theo chiều dài tương đối của chấn tử. Khảo sát đồ thị ta thấy rằng, ban đầu khi tăng độ dài tương đối của chấn tử, điện trở bức xạ tăng. Tại = 0,25 (chấn tử nửa sóng) có Rbxb= 73,1 W và gần với giá trị = 0,5 có Rbxb= 210 W. Sau đó Rbxb dao động có cực đại ở gần các giá trị bằng bội số chẵn của. Đặc tính biến đổi này có thể được giải thích từ mối quan hệ giữa công suất bức xạ (và điện trở bức xạ) với quy luật phân bố dòng điện trên chấn tử. Khi nhỏ thì tăng sẽ tăng số phần tử dòng điện đồng pha, do đó tăng công suất và điện trở bức xạ. Nhưng khi >λ, trên chấn tử xuất hiện khu vực dòng điện ngược pha làm giảm công suất và điện trở bức xạ của chấn tử. Hệ số tính hướng của chấn tử đối xứng, theo công thức: Trong đó E(q,j) được tính theo công thức (2.9) còn Pbx được tính theo công thức (2.14). Với các chấn tử có độ dài bức xạ cực đại vẫn duy trì ở hướng , ta có: (2.17) 2.3.3 Trở kháng sóng của chấn tử đối xứng Tương tự như đường dây song hành, đối với chấn tử đối xứng cũng có thể đưa vào khái niệm trở kháng sóng. Theo lý thuyết đường dây, trở kháng sóng của đường dây song hành không tổn hao được xác định theo công thức: (2.18) Trong đó L1 điện cảm phân bố của đường dây C1 điện dung phân bố của đường dây Mặt khác ta có: là vận tốc sóng truyền trên đường dây Nếu đường dây được đặt trong không gian tự do thì m = m0, e = e0. Trở kháng sóng của đường dây có thể được biểu thị qua thông số của môi trường và một trong hai thông số phân bố L1, hoặc C1 của đường dây: (2.19) Đối với đường dây song hành, C1 là đại lượng không biến đổi theo chiều dài của dây và được giới hạn bằng kích thước của đường dây. Khi biểu thị trở kháng sóng qua các kích thước hình học của đường dây, công thức (2.19) sẽ có dạng: (2.20) D: khoảng cách giữa hai dây dẫn (tính từ trục dây) r: bán kính dây dẫn Đối với chấn tử đối xứng hoặc các loại anten dây khác, có thể áp dụng công thức (2.20) để tính trở kháng sóng của anten nhưng cần chú ý rằng điện dung phân bố C1 lúc này không phải là hằng số mà thay đổi dọc theo chiều dài chấn tử. Vì vậy khi tính C1 cần lấy giá trị trung bình của nó, nghĩa là lấy điện dung tĩnh tổng cộng của anten chia cho chiều dài của nó. Công thức tính trở kháng sóng của chấn tử đối xứng khi chiều dài chấn tử nhỏ hơn bước sóng công tác sẽ là: (W) (2.21) Khi tăng chiều dài chấn tử thì sai số tính theo công thức trên sẽ tăng. Như vậy khi chiều dài chấn tử lớn hơn bước sóng công tác thì trở kháng sóng của chấn tử sẽ được tính theo công thức Kesenich: (W) (2.22) Trong đó E = 0,577 là hằng số Euler 2.3.4 Trở kháng vào của chấn tử đối xứng Như đã đề cập trong phần e của mục 1.2.3 ở chương 1 trở kháng vào của chấn tử đối xứng bao gồm cả phần thực và phần kháng. Phần thực bao gồm điện trở bức xạ và phần điện trở tổn hao của chấn tử. Đối với chấn tử đối xứng, điện trở tổn hao không đáng kể (có thể coi bằng 0) phần công suất thực đưa vào anten hầu như được chuyển thành công suất bức xạ (2.23) Nếu biểu thị công suất bức xạ theo dòng điện ở đầu vào Ia thì công thức (2.23) có thể viết: (2.24) Rbx0 là điện trở bức xạ tính theo dòng điện đầu vào Ta có: (2.25) Phần kháng của trở kháng vào của chấn tử đối xứng chính là trở kháng của đường dây song hành hở mạch đầu cuối và được tính theo công thức: (2.26) Trong đó ZA là trở kháng sóng của chấn tử đối xứng. Thay các công thức (2.24) và (2.25) vào công thức (1.17) ta được công thức tính trở kháng vào của chấn tử đối xứng: (2.27) Công thức này nhận được khi tính toán theo giả thiết dòng điện trên chấn tử phân bố hình sin. Khi độ dài của chấn tử gần bằng nửa bước sóng công tác thì công thức (2.26) cho kết quả hợp lý nhưng khi chấn tử có độ dài lớn hơn thì độ chính xác của công thức sẽ giảm đi. Đến khi độ dài của chấn tử bằng đúng bước sóng công tác thì công thức này không còn ý nghĩa vì lúc đó cả phần thực và phần ảo của trở kháng vào đều có giá trị vô cùng lớn. Công thức (2.26) cho phép ứng dụng khi điểm nút dòng điện nằm cách đầu vào chấn tử một khoảng lớn hơn (0,1 – 0,15)l nghĩa là khi tỷ số nằm trong khoảng 0 – 0,35 và 0,65 – 0,85. - 300 - 400 - 200 - 100 0 100 200 300 400 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 XVA(W) l/r=40 l/r=20 l/r=60 100 -100 200 300 400 500 600 700 800 0 0,2 0,4 0,6 0,7 1,0 1,2 RVA(W) l/r =40 l/r =20 l/r =60 0 Hình 2.6 Sự phụ thuộc của ZvA vào Nhận xét: Trở kháng vào của chấn tử đối xứng phụ thuộc vào chiều dài tương đối của chấn tử. - Khi chiều dài của chấn tử (2) bằng bội số của l/2 thì lúc đó trở kháng của chấn tử có thể xem gần đúng chỉ có điện trở thuần. Cộng hưởng nối tiếp xảy ra khi chiều dài chấn tử bằng 0,5l; 1,5l; 2,5l;…và trở kháng vào RvA là thực và có giá trị bằng trở kháng bức xạ của anten. Trong trường hợp này sẽ có giá trị là 73,1W đối với chấn tử nửa sóng và 200 W đối với chấn tử toàn sóng. - Cộng hưởng song song xảy ra khi chiều dài chấn tử (2) bằng bội số của bước sóng công tác (l, 2l, 3,…). Trở kháng vào trong trường hợp này cũng là điện trở thực và có giá trị vô cùng lớn, có thể đạt đến 5000 W. Giá trị của trở kháng vào thực phụ thuộc vào tỷ số chiều dài trên bán kính chấn tử và trở kháng sóng của chấn tử. - Khi chiều dài của chấn tử không phải là bội số của l/2 thì lúc đó trở kháng vào của anten bao gồm cả phần thực và phần kháng. Thành phần kháng của trở kháng vào của chấn tử đối xứng ở gần các điểm cộng hưởng nối tiếp (= l/4) tương tự như thành phần kháng của một mạch cộng hưởng nối tiếp: ở vùng tần số thấp hơn tần số cộng hưởng nó mang tính dung kháng và ở các vùng tần số cao hơn tần số cộng hưởng nó mang tính cảm kháng. ở các điểm gần điểm cộng hưởng song song (= l/2) trở kháng của chấn tử tương tự như thành phần kháng của một mạch cộng hưởng song song: ở vùng tần số thấp hơn tần số cộng hưởng nó mang tính cảm kháng và ở các vùng tần số cao hơn tần số cộng hưởng nó mang tính dung kháng. Thông thường trở kháng vào của chấn tử đối xứng được chọn bằng phương pháp thực nghiệm. Bằng cách thay đổi chiều dài và đường kính của dây chấn tử ứng với tần số trung tâm của dải tần công tác, khi đó trở kháng sẽ thuần trở . Khi biết giá trị của trở kháng vào của anten ta có thể dễ dàng thực hiện việc phối hợp trở kháng giữa anten và máy phát hoặc máy thu. 2.3.5 Chiều dài hiệu dụng của chấn tử đối xứng Bức xạ của anten phụ thuộc vào sự phân bố dòng điện trên anten. Để xem xét quan hệ giữa phân bố dòng điện và chiều dài chấn tử, người ta đưa vào khái niệm chiều dài hiệu dụng, . Chiều dài hiệu dụng là chiều dài của một chấn tử tương đương với chấn tử thật, có dòng điện phân bố đồng đều trên chấn tử và bằng dòng điện đầu vào của chấn tử thật, với diện tích phân bố dòng điện trên chấn tử thật bằng diện tích phân bố dòng điện trên chấn tử tương đương. Im Im 2 = l/2 Hình 2.7. Chiều dài thực và chiều dài hiệu dụng của chấn tử đối xứng Cấu trúc của anten càng tốt nếu như chiều dài hiệu dụng của anten có giá trị gần bằng chiều dài thức của anten. Chiều dài hiệu dụng của chấn tử đối xứng được xác định theo biểu thức: (2.28) Với chấn tử nửa sóng có chiều dài , do đó và chiều dài hiệu dụng của chấn tử sẽ là . Nếu là chấn tử toàn sóng có chiều dài , thì chiều dài hiệu dụng của chấn tử sẽ là . CHƯƠNG III: ĐẶC TÍNH PHƯƠNG HƯỚNG CỦA ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG TRÌNH BÀY BẰNG MATLAB 3.1: ĐẶC TÍNH PHƯƠNG HƯỚNG CỦA ANTEN CHẤN TỬ 3.1.1: Mô hình toán Giả sử chấn tử có độ dài l, được đặt dọc theo trục 0z, tâm pha trùng với gốc tọa độ. Tọa độ điểm khảo sát là (R, , ). Khi khảo sát trường vùng xa ta luôn có . Hình 3.1: Biểu diễn chấn tử đối xứng trong tọa độ cầu Theo quy ước như ở hình vẽ trên, góc được xác định bởi hình chiếu của trên mặt phẳng x0y và , còn góc được xác định bởi góc giữa và , tức là mặt phẳng x0y có . Từ hình vẽ ta thấy rằng: Hàm phương hướng của anten chấn tử đẳng hướng với mặt phẳng vuông góc với trục của chấn tử (mặt phẳng φ). Hàm phương hướng bức xạ bằng không tại θ=00 hoăc θ=1800. Đặc tính hướng chỉ xác định trong mặt phẳng chứa trục của chấn tử. Vậy ta có hàm phương hướng của anten chấn tử được xác định bởi : (3.1) : là bước sóng. : là trở kháng sóng. Hay biểu diễn dưới dạng hàm chuẩn hoá: (3.2) Xét hàm tính hướng và đồ thị phương hướng của chấn tử có