LÝ THUYẾT ANTEN

Chia sẻ: Truong Bao | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

1.940
lượt xem 716
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Toàn bộ lý thuyết Anten được xây dựng trên cơ sở của sóng điện từ. Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian thống nhất tạo thành trường điện từ. Trường điện từ là một dạng vật chất cơ bản, chuyển động với vận tốc c trong mỗi hệ quy chiếu quán tính trong chân không; nó thể hiện sự tồn tại và vận động qua những tương với một dạng vật chất khác là những hạt hoặc những môi trường chất mang điện....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LÝ THUYẾT ANTEN

PHAÀN 1 LYÙ THUYEÁT ANTEN
CHÖÔNG I : KHAÙI NIEÄM TRÖÔØNG ÑIEÄN TÖØ ---oOo--- I. Ñaëc ñieåm soùng ñieän töø. Toaøn boä lyù thuyeát anten ñöôïc xaây döïng treân cô sôû cuûa soùng ñieän töø. Ñieän tröôøng vaø töø tröôøng ñoàng thôøi toàn taïi trong khoâng gian thoáng nhaát taïo thaønh tröôøng ñieän töø. Tröôøng ñieän töø laø moät daïng vaät chaát cô baûn, chuyeån ñoäng vôùi vaän toác c trong moãi heä quy chieáu quaùn tính trong chaân khoâng; noù theå hieän söï toàn taïi vaø vaän ñoäng qua nhöõng töông vôùi moät daïng vaät chaát khaùc laø nhöõng haït hoaëc nhöõng moâi tröôøng chaát mang ñieän. Tröôøng ñieän töø coù mang naêng löôïng vaø nhieät ñoä: 1 J W = (E B + HD) ( ) 2 m3 Tröôøng ñieän töø ñaëc tröng bôûi caùc ñaïi löôïng sau : V E : vector cöôøng ñoä ñieän tröôøng ( ) m C D : Vector caûm öùng ñieän ( ) m2 Wb B : Vector caûm öùng töø ( ) m2 A H : Vector cöôøng ñoä töø tröôøng ( ) m Tröôøng ñieän töø ñöôïc bieåu dieãn qua heä thoáng phöông trình Maxwell . ∂B ∂D rot E = - (1.1) rotH = J + (1.2) ∂t ∂t div D = ρ (1.3) div B = 0 (1.4) Ngoaøi ra coøn coù phöông trình lieân heä :
C D = ε E = ε οεr E ( ) (1.5) m2 Vs B = μH = μ ο μ r H ( = T) (1.6) m2 A J = γE ( ) (1.7) m2 A J :thoâng löôïng vector maät ñoä doøng daãn ( ) m2 C ρ : phaân boá ñieän tích khoái ( ) m3 1 s γ : ñoä daãn ñieän cuûa moâi tröôøng daãn ( = ) Ωm m A ε: heä soá ñieän thaåm tuyeät ñoái cuûa moâi tröôøng ( ) m 10−9 F Ñoái vôùi moâi tröôøng chaân khoâng ε = ε ο = ( ) 36π m ε r = 1 ÷ 10 :caùc ñieän moâi thoâng thöôøng ε r = 1 : khoâng khí ε r = 103 ÷ 104 : moät soá muoái senhet H μ: heä soá töø thaåm cuûa moâi tröôøng ( ) m H Ñoái vôùi moâi tröôøng chaân khoâng μ = μ ο = 4π.10− 7 ( ) m μ r = 1 : ñoái vôùi moâi tröôøng thoâng thöôøng Nguoàn taïo ra tröôøng ñieän töø laø doøng ñieän vaø töø tröôøng. YÙ nghóa heä phöông trình Maxwell. - Phöông trình Maxwell (1.1)vaø (1.2) neâu roõ töø tröôøng vaø ñieän tröôøng bieán thieân luoân gaén boù vôùi nhau vaø luoân coù tính chaát xoaùy.
- Phöông trình Maxwell (1.3)vaø (1.4)moâ taû daïng hình hoïc cuûa hai maët theå hieän ñieän tröôøng vaø töø tröôøng. II. Soùng ñieän töø : Phöông trình soùng ñieän töø coù daïng. x E = Eo cos( t - ) V x Töông töï : B = Bo cos( t - ) V Eo , Bo , phuï thuoäc ñieàu kieän ñaàu. Haøm E ( x,t ) vaø B ( x,t ) laø caùc haøm soùng, nhö vaäy ñieän tröôøng vaø töø tröôøng lan truyeàn trong khoâng gian döôùi daïng soùng . Vaäy soùng ñieän töø laø tröôøng ñieän töø bieán thieân truyeàn ñi trong khoâng gian. Söï lan truyeàn cuûa soùng ñieän töø theå hieän qua söï lan truyeàn naêng löôïng ñieän töø, caùc cöôøng ñoä tröôøng (soùng E, soùng H...)vaø caùc theá (soùng A, soùng ϕ). Theo daïng caùc maët phaúng ñoàng pha cuûa soùng ñieän töø maø ta coù soùng ñieän töø phaúng, soùng truï hoaëc soùng caàu...Soùng ñieän töø phaúng laø soùng ñieän töø coù maët ñoàng pha laø maët phaúng, phöông truyeàn cuûa soùng phaúng ôû moïi nôi ñeàu vuoâng goùc vôùi moät maët phaúng xaùc ñònh. Soùng ñieän töø ñöôïc goïi laø ñôn saéc hay ñeàu hoøa neáu caùc vector cöôøng ñoä ñieän tröôøng, töø tröôøng bieán ñoåi hình sin theo thôøi gian vôùi moät taàn soá wxaùc ñònh. - Soùng phaúng goïi laø soùng phaúng ñoàng nhaát neáu vector E,H cuûa soùng phuï thuoäc chæ moät toïa ñoä khoâng gian. - Soùng truï troøn laø daïng soùng maø tröôøng vaø naêng löôïng lan truyeàn theo chieàu baùn kính r toûa töø moät truïc ra khoâng gian xung quanh hoaëc höôùng vaøo truïc. Tính chaát cuûa soùng ñieän töø toàn taïi trong moâi tröôøng chaát vaø trong moâi tröôøng chaân khoâng. a. Soùng ñieän töø coù chöùc naêng: - Taïo chuøm tia coâng suaát theo moät höôùng ñònh tröôùc.
- Laùi chuøm tia ñeå moät khu vöïc naøo ñoù coù theå ñöôïc bao phuû soùng. - Cho pheùp ño ñaïc thoâng tin veà goùc ñeå coù theå xaùc ñònh höôùng. b. Soùng ñieän töø laø soùng khoâng gian. Taïi moïi ñieåm trong khoâng gian, phöông E , B ñeàu vuoâng goùc vôùi phöông truyeàn soùng. Ta noùi soùng ñieän töø phaúng thuoäc loaïi soùng ñieän töø ngang TEM c. E , H luoân cuøng pha vaø coù trò soá luoân tiû leä vôùi nhau. d. Bieân ñoä ñieän tröoàng vaø töø tröôøng cuûa soùng giöõ khoâng ñoåi trong quaù trình lan truyeàn. e. Vaän toác dòch chuyeån cuûa caùc maët ñaúng pha ñöôïc goïi laø vaän toác pha v p (hay laø vaän toác truyeàn naêng löôïng cuûa tröôøng (caû ñieän vaø töø keøm theo nhau). ω vp = (1.8) β trong ñoù β goïi laø heä soá pha (rad/m) f. Naêng löôïng vaø naêng thoâng. - Naêng löôïng soùng ñieän töø laø naêng löôïng cuûa tröôøng ñieän töø. Naêng löôïng naøy toàn taïi trong vuøng khoâng gian coù soùng ñieän töø. - Naêng thoâng laø naêng löôïng truyeàn ñi moät ñôn vò dieän tích trong moät ñôn vò thôøi gian. Ñònh nghóa :Vectô Poynting. Laø vector maät ñoä doøng coâng suaát ñieän töø, vector ñoù baèng coâng suaát ñieän töø chaûy qua moät ñôn vò dieän tích ñaët vuoâng goùc vôùi doøng chaûy δ = ExH III. Soùng ñieän töø trong moâi tröôøng baùn daãn ñieän ñoàng chaát: Ta coù ñieän daãn suaát cuûa moâi tröôøng γ ≠ 0 khi ñoù heä thoáng caùc phöông trình Maxwell laø: ∂D ∂B rot H = γE + rot E = - ∂t ∂t divB = 0 divD = ρ
Neáu nguoàn tröôøng bieán thieân theo qui luaät ñieàu hoøa . jwt E = Re(Ee ) (1.9) Re laø phaàn thöïc cuûa ñaïi löôïng phöùc. Töø caùc phöông trình lieân heä, laáy ñaïo haøm (1.9), keát hôïp vôùi caùc phöông trình lieân heä vaø so saùnh vôùi phöông trình Maxwell ta coù: γ F ε p = ε(1 − i ) ( ) εω m Töø söï töông öùng treân sau khi khaûo saùt ngöôøi ta ruùt ra keát luaän : 1. Soùng thoäc loaïi soùng ngang. 2. Vectô cöôøng ñoä ñieän tröôøng vaø töø tröôøng vuoâng goùc vôùi nhau vaø caû hai ñeàu vuoâng goùc vôùi phöông truyeàn soùng. 3. Soùng lan truyeàn bò moâi tröôøng haáp thuï laøm suy giaûm bieân ñoä. Möùc ñoä w 2π suy giaûm theo haøm muû ñaëc tröng bôûi thöøa soá vôùi σ = ρ= ρ c λ (1.10) laø heä soá haáp thuï. 4. Ñieän tröôøng vaø töø tröôøng truyeàn ñi vôùi vaän toác gioáng nhau v= c/n (m/s). 5. ÔÛ moät ñieåm trong khoâng gian töø tröôøng leäch pha vôùi ñieän tröôøng moät goùc. ρ ϕ = arctg (ñoä) n 6. Bieân ñoä cöôøng ñoä ñieän tröôøng vaø töø tröôøng coù quan heä vôùi nhau bôûi bieåu thöùc : n2 + ρ 2 A Hm = Em ( ) 120π m Qua bieåu thöùc cuûa heä soá haáp thu (1.10)ï ta thaáy raèng khi ñieän daãn caøng taêng vaø böôùc soùng caøng ngaén thì haáp thuï caøng nhieàu . Truyeàn soùng qua moâi tröôøng baùn daãn ñieän (maët ñaát, maët bieån) ñeå giaûm bôùt toån hao neân duøng soùng coù böôùc soùng lôùn. IV. Soùng voâ tuyeán:
1. Ñaëc ñieåm cuûa soùng voâ tuyeán: Soùng voâ tuyeán coù chung ñaëc tính vôùi caùc daïng chuyeån ñoäng khaùc. Coù theå noùi moät caùch gaàn ñuùng, chuyeån ñoäng soùng laø bao goàm söï keá tieáp lieân tuïc nhöõng ñænh soùng vaø ñaùy soùng vôùi nhöõng khoaûng caùch baèng nhau vaø chuyeån ñoäng theo moät toác ñoä coá ñònh. Ví duï ta nhìn moät maûnh goã noåi treân maët nöôùc bò naâng leân vaø haï xuoáng khi soùng ñi qua, nhöng neáu khoâng coù gioù vaø doøng nöôùc thì noù seõ khoâng dòch chuyeån veà baát cöù höôùng naøo. Ñieàu ñoù chæ ra raèng soùng ñöôïc taïo ra ñaàu tieân bôûi moät söï bieán ñoäng naøo ñoù ôû xa, tònh tieán qua moâi tröôøng (trong tröôøng hôïp naøy laø bieån) vôùi moät toác ñoä coá ñònh nhöng baûn thaân moâi tröôøng thì khoâng dòch chuyeån. Khoaûng caùch giöõa hai soùng lieân tuïc goïi laø böôùc soùng (kí hieäu λ). Moät dao ñoäng hoaøn chænh töø moät ñænh soùng qua ñaùy soùng ñeán ñænh soùng keá tieáp goïi laø chu kì. Soá chu kì soùng ñi qua moät ñieåm coá ñònh trong moät khoaûng thôøi gian cho saün goïi laø taàn soá (kí hieäu f), coù theå giaûi thích taàn soá baèng soá chu kì treân giaây goïi laø Hez (Hz). Roõ raøng laø soá chu kì trong moät giaây phuï thuoäc vaøo böôùc soùng vaø toác ñoä maø soùng truyeàn lan (toác ñoä kí hieäu laø c). Soùng coù böôùc soùng 2m chuyeån ñoäng vôùi toác ñoä 10m treân giaây phaûi dao ñoäng vôùi taàn soá laø 5 chu kì treân giaây.Moái quan heä giöõa caùc yeáu toá nhö sau: Toác ñoä baèng taàn soá x böôùc soùng Hoaëc C = f x λ (1.11) Baèng caùch suy luaän töø soùng bieån coù theå chöùng minh ñöôïc söï thaät xa hôn. Moät hoøn ñaù neùm xuoáng hoà cho thaáy soùng seõ truyeàn lan ra vôùi toác ñoä coá ñònh ôû moïi höôùng neáu nhö noù khoâng bò caûn trôû. Soùng voâ tuyeán coù ñaày ñuû caùc ñaëc tính vöøa moâ taû khaùc nhau veà baûn chaát ôû choå soùng voâ tuyeán laø soùng ñieän töø noù taïo neân bôûi tröôøng ñieän vaø tröôøng töø, maø khoâng phaûi laø chaán ñoäng cô hoïc. Soùng ñieän töø coù ñaëc tính vôùi soùng aùnh saùng, maëc duø böôùc soùng cuûa chuùng daøi hôn yeáu toá naøy aûnh höôûng raát lôùn ñeán ñaëc tính cuûa chuùng. Khi noùi ñeán chuùng ngöôøi ta thöôøng duøng khaùi nieäm ñieän hôn khaùi nieäm töø, cöôøng ñoä cuûa chuùng ñöïôc ño baèng vol/ m , coâng suaát ño baèng oat/ m 2 . Söï toàn taïi cuûa naêng löôïng trong soùng ñieän töø ñöôïc chöùng minh bôûi moät söï thöïc laø noù caûm öùng doøng ñieän trong vaät chaát maø noù tieáp xuùc. Soùng voâ tuyeán coù truïc ñieän vaø truïc töø vuoâng goùc nhau. Söï ñònh höôùng caùc truïc naøy trong khoâng gian goïi laø phaân cöïc vaø chuùng ñöïôc bieåu dieãn theo höôùng cuûa truïc ñieän. Böôùc soùng cuûa soùng voâ tuyeán hieän nay thöôøng naèm trong khoaûng 20.000m ñeán 4mm . Toác ñoä cuûa chuùng trong khoâng gian töï do laø coá ñònh khoaûng 300 trieäu meùt hoaëc 161800 haûi lyù treân giaây. Giaù trò naøy ñöôïc söû duïng roäng raõi khi xeùt söï truyeàn lan cuûa soùng trong khí quyeån. Vì toác ñoä laø coá ñònh, khi taàn soá taêng thì böôùc soùng giaûm. Ví duï
döôùi ñaây chæ roõ coâng thöùc ñöa ra ôû treân ñöôïc söû duïng nhö theá naøo ñeå ñoåi böôùc soùng ra taàn soá: Haõy tìm taàn soá cuûa moät ñaøi phaùt soùng voâ tuyeán phaùt treân böôùc soùng 1500m. c 300.000.000 f= , hoaëc taàn soá = = 200.000Hz λ 1.500 Taàn soá soùng voâ tuyeán thöôøng ñöôïc ño baèng caùc boäi soá cuûa Hz nhö: 1 kiloâhec (Khz) = 103Hz, 1meâgahec (Mhz) = 106 Hz, 1gigahec (Ghz)=109 Hz. Ñoái vôùi moät khoaûng caùch thôøi gian raát ngaén, thôøi gian thöôøng ñöôïc tính baèng microâ giaây( töùc moät phaàn trieäu cuûa giaây). Soùng voâ tuyeán coù böôùc soùng ngaén nhö vaäy goïi laø soùng sieâu ngaén (viba ). Töø nhöõng so saùnh ñôn giaûn ôû treân ta hieåu ñöôïc baûn chaát chung cuûa soùng voâ tuyeán. Thuoäc tính cuûa chuùng phuï thuoäc raát nhieàu vaøo phöông phaùp böùc xaï chuùng vaøo khoâng gian. Nhöng ñieàu caàn noùi ôû ñaây laø soùng voâ tuyeán coù theå ñöôïc taäp trung laïi thaønh chuøm tia theo moät höôùng nhaát ñònh vaø coù theå bò phaûn xaï, khuùc xaï, taùn xaï hay nhieãu xaï gioáng nhö soùng aùnh saùng tuøy thuoäc vaøo baûn chaát moâi tröôøng maø chuùng ñi qua vaø nhöõng muïc tieâu maø chuùng tieáp xuùc. 2. Söï ñònh höôùng. Ta chæ xeùt thôøi ñieåm maø luùc soùng baét ñaàu truyeàn trong khoâng gian. Kích thöôùc caàn thieát cuûa boä phaûn xaï ñeå taäp trung soùng voâ tuyeán vaøo moät chuøm tia vôùi ñoä roäng cho tröôùc, phuï thuoäc vaøo böôùc soùng ñöôïc söû duïng, böôùc soùng caøng daøi thì boä phaûn xaï caøng roäng. Vì vaäy ñeå coù moät boä phaûn xaï coù kích thöôùc thích hôïp, ñeå nhaän ñöôïc moät chuøm tia heïp phaûi söû duïng soùng coù böôùc soùng raát ngaén. Vôùi böôùc soùng 3cm boä phaûn xaï roäng 5 fuùt thì seõ cho moät chuøm tia roäng khoaûng 1.5 ñoä vôùi boä phaûn xaï roäng 10 fuùt seõ cho chuøm tia roäng 0.75 ñoä. Ñoä chính xaùc cuûa vieäc do höôùng chæ caàn thieát treân maët phaúng ngang töùc laø phöông vò. Chuùng ta deã nhaän thaáy raèng, ôû baát kyø phöông vò naøo chuøm tia caøng roäng thì cöôøng ñoä cuûa noù caøng yeáu. Boä phaûn xaï phaùt naêng löôïng ñi theo moät chuøm tia heïp vôùi goùc ñoä nhaát ñònh, naêng löôïng aáy ñöôïc phaùt töø tieâu ñieåm maët phaûn xaï thì boä phaûn xaï cuõng taäp trung taát caû naêng löôïng töø nguoàn beân ngoaøi ñi ñeán noù roài phaûn xaï veà cuøng moät tieâu ñieåm aáy theo cuøng goùc ñoä nhö luùc noù phaùt ñi. Ñieàu ñoù noùi leân raèng anten coù tính ñònh höôùng cho caû thu vaø phaùt. Noù khoâng nhöõng coù lôïi cho ñoä chính xaùc cuûa vieäc do höôùng maø coøn laøm taêng cöôøng ñoä cuûa soùng thu ñöôïc.
Söï suy giaûm cöôøng ñoä tín hieäu theo khoaûng caùch: cöôøng ñoä cuûa tín hieäu thu ñöôïc ôû moät ñieåm seõ bieán ñoåi khi thay ñoåi khoaûng caùch cuûa ñieåm ñoù ñeán maùy phaùt nhö sau: + Cöôøng ñoä tröôøng( ño baèng vol/ m ) tæ leä nghòch vôùi khoaûng caùch. + Coâng suaát( ño baèng oat/ m 2 ) tæ leä nghòch vôùi bình phöông khoaûng caùch. ï V. Coâng suaát truyeàn soùng lyù töôûng. Giaû söû nguoàn böùc xaï laø ñaúng höôùng vaø ñöôïc ñaët trong moät khoâng gian töï do. Nghóa laø trong moät moâi tröôøng ñoàng nhaát, ñoàng höôùng khoâng haáp thuï vaø coù heä soá ñieän thaåm töông ñoái baèng moät. Ta tính maät ñoä thoâng löôïng naêng löôïng cuûa tröôøng böùc xaï ôû moät khoaûng caùch keå töø nguoàn vaø giaû thuyeát laø naêng löôïng böùc xaï phaân boá ñoàng ñeàu treân maët caàu baùn kính r. Bieåu thò coâng suaát böùc xaï baèng W. Ñôn vò chieàu daøi laø m , ta coù bieåu thöùc thoâng löôïng naêng löôïng qua moät ñôn vò ñieän tích cuûa maët caàu baùn kính r trong moät ñôn vò thôøi gian laø: ρ S= (W / m 2) (1.12) 2 4πr Giaù trò cuûa bieåu thöùc (1.12) cuõng chính baèng giaù trò trung bình cuûa vector Poynting ôû treân maët caàu aáy: S = En Hn (1.13) Eh (V/m); Hn (A/m) goïi laø trò hieäu duïng cuûa vectô cöôøng ñoä ñieän tröôøng vaø töø tröôøng . Trong ñôn vò ño löôøng hôïp phaùp H = E/120 ( A/m ) khi ñoù (1.13) ñöôïc vieát laïi E2 30 p S= (W/ m 2 ) Eh = (V/m) 120π r Trong thöïc teá ngöôøi ta duøng nhöõng heä thoáng böùc xaï coù tính phöông höôùng. Möùc ñoä ñònh höôùng ñöôïc ñaùnh giaù bôûi heä soá phöông trình D, heä soá D laø moät heä soá ñaëc tröng cho maät ñoä taäp trung naêng löôïng böùc xaï cuûa anten theo moät höôùng naøo ñoù. Coù theå hieåu moät caùch
ñôn giaûn nhö sau: moät anten coù höôùng coâng suaát böùc xaï P vaø coù heä soá tính phöông höôùng ôû moät höôùng naøo ñoù laø D seõ taïo ra ñieåm thu ôû höôùng ñoù moät cöôøng ñoä tröôøng coù trò seõ gioáng nhö moät anten veà höôùng coù coâng suaát PD taïo ra. Nhö vaäy vieäc söû duïng anten coù höôùng seõ töông ñöông vôùi vieäc taêng coâng suaát böùc xaï leân so vôùi anten voâ höôùng khi ñoù: 90 PD Eh = r 60 pD Trò soá bieân ñoä cuûa cöôøng ñoä tröôøng Em = (V/m) r Trò soá töùc thôøi cuûa cöôøng ñoä tröôøng baèng : 60 pD n 60 pD E= cos ( t- ) = cos( wt-Kr ) r c r w : taàn soá goùc cuûa soùng w 2π K= = laø heä soá soùng c w λ : böôùc soùng khoâng gian töï do. Tröôøng hôïp nguoàn böùc xaï khoâng phaûi ñaët trong khoâng gian töï do maø ñaët treân maët ñaát daãn ñieän lyù töôûng, khi aáy naêng löôïng seõ phaân boá theo moät nöõa hình caàu, trò soá D seõ taêng gaáp ñoâi vaø cöôøng ñoä tröôøng seõ taêng leân 2 laàn. VI. Phaân loaïi soùng theo voâ tuyeán ñieän theo baêng soùng vaø theo phöông thöùc lan truyeàn . Caùc soùng voâ tuyeán ñieän chia thaønh 5 baêng soùng. 1. Soùng cöïc daøi: soùng coù böôùc soùng lôùn hôn 10.000 m (taàn soá thaáp hôùn 30 Khz ). 2. Soùng daøi: laø soùng coù böôùc soùng töø 10.000 m ñeán 1.000 m. 3. Soùng trung: laø soùng coù böôùc soùng töø 1.000 m ñeán 100m ( taàn soá 300Khz ñeán 3 Mhz ). 4. Soùng cöïc ngaén : laø soùng coù böôùc soùng 10m ñeán 1mm (taàn soá 30 Mhz ñeán 300.000 Mhz ). Nhöõng phöông thöùc lan truyeàn cuûa soùng voâ tuyeán ñieän
a. Nhöõng soùng voâ tuyeán ñieän lan truyeàn ôû maët ñaát seõ lan truyeàn theo ñöôøng thaúng vôùi vaän toác khoâng ñoåi. Do söï coù maët cuûa maët ñaát laø daãn ñieän, moät maët gaây phaûn xaï soùng, laøm bieán daïng caáu taïo cuûa soùng vaø gaây ra haáp thuï soùng trong ñaát, maët khaùc bò cuoán ñi theo ñoä cong maët ñaát do hieän töôïng nhieãu xaï. Nhöõng soùng naøy goïi laø soùng ñaát. Vaäy söï lan truyeàn soùng ñaát coù theå bao goàm taát caû caùc baêng soùng ñaõ neâu ôû treân. b. Taàng ñoái löu laø moät lôùp khí quyeån naèm tröïc tieáp saùt maët ñaát leân ñeán ñoä cao khoaûng 10 – 15 km. Ñoù laø moät moâi tröôøng khoâng ñoàng nhaát. c. Nhöõng soùng voâ tuyeán ñieän ñöôïc truyeàn ñi do söï khueách taùn trong taàng ñoái löu goïi laø soùng taàng ñoái löu. Nhöõng soùng vôùi böôùc soùng ngaén hôn 10 m môùi coù theå truyeàn ñi theo daïng naøy. Taàng ñieän ly laø moät mieàn cuûa khí quyeån cao naèm töø ñoä cao 60 km ñeán 500 km treân maët ñaát. Taàng ñieän ly laø moâi tröôøng baùn daãn ñieän vaø soùng coù theå phaûn xaï, töø ñoù ôû nhöõng soùng daøi hôn 10 m. ÔÛ taàng ñieän ly laø moâi tröôøng khoâng ñoàng nhaát neân noù coù khaû naêng khueách taùn soùng truyeàn ñeán nhöõng soùng ngaén hôn 10m. Nhö vaäy, nhöõng soùng voâ tuyeán ñieän ñöôïc truyeàn ñi do söï phaûn xaï (moät laàn hoaëc nhieàu laàn ), hoaëc do khueách taùn töø taàng ñieän ly goïi laø soùng ñieän ly. VII . Truyeàn soùng cuûa nhöõng daûi soùng khaùc nhau. 1. Ñaëc ñieåm lan truyeàn cuûa soùng daøi vaø soùng cöïc daøi. Töø vieäc truyeàn soùng ôû treân maët ñaát taàng ñoái löu, taàng ñieän ly ôû phaàn tröôùc ta seõ ruùt ra keát luaän cho vieäc truyeàn soùng cuûa töøng daûi trong phöông thöùc naøo cho thích hôïp. Ñoái vôùi soùng daøi vaø soùng cöïc daøi, maët ñaát coù tính daãn ñieän toát. Do ñoù khi truyeàn soùng theo phöông thöùc soùng ñaát noù seõ bò maët ñaát haáp thuï ít hôn ñoái vôùi soùng trung vaø soùng ngaén. Maët khaùc, do böôùc soùng cuûa daûi soùng naøy khaù lôùn coù theå so saùnh vôùi ñoä cong maët ñaát neân soùng maët ñaát coù theå lan truyeàn theo phuông thöùc nhieãu xaï. Uoán cong theo maët ñaát vaø ñaït cöï ly khaù lôùn. Do nhöõng lyù do treân soùng daøi vaø soùng cöïc daøi coù theå truyeàn lan theo phöông thöùc soùng ñaát ñeå ñaït ñeán nhöõng cöï ly khoaûng 3000 km. Vôùi nhöõng cöï ly lôùn hôn 3000 km phaûi thöïc hieän söï truyeàn soùng baèng taàng ñieän ly vì böôùc soùng lôùn noù bò taàng ñieän ly haáp thuï maïnh neân ngöôøi ta ít söû duïng. Khi lan truyeàn soùng daøi vaø cöïc daøi, ngöôøi ta quan saùt coøn thaáy hieän töôïng ñoái cöïc. Bieát raèng, caøng ñi xa ñaøi phaùt thì cöôøng ñoä tröôøng caøng giaûm nhoû. Nhöng neáu taêng cöï ly leân nöõa thì seõ ñeán moät mieàn maø
ôû ñoù cöôøng ñoä tröôøng laïi taêng leân. Mieàn naøy naèm ñoái dieän vôùi ñaøi phaùt qua taâm traùi ñaát vaø goïi laø mieàn ñoái cöïc. Soùng daøi vaø soùng cöïc daøi khoâng bò hieän töôïng fading so vôùi caùc soùng khaùc noù truyeàn ñi khoâng ñöôïc xa nhöng coù öu ñieåm laø oån ñònh. ÔÛ caùc nöôùc oân ñôùi ngöôøi ta söû duïng caùc loaïi soùng naøy duøng cho ñaøi phaùt thanh ñòa phöông vaø thoâng tin cöï ly gaàn khoâng quaù 1000 km. ÔÛ caùc nöôùc nhieät ñôùi nhö Vieät Nam soùng naøy bò aûnh höôûng nhieàu cuûa ñieän trôøi (saàm seùt, gioâng baûo, söï phoùng ñieän cuûa khí quyeån ) neân khoâng ñöôïc söû duïng 2. Ñaëc ñieåm truyeàn cuûa soùng trung : Soùng trung ñöôïc öùng duïng chuû yeáu trong truyeàn thanh, noù theå lan truyeàn baèng soùng ñaát nhö soùng ñieän ly. Cöï ly truyeàn lan cuûa soùng trung baèng phöông thöùc soùng ñaát khoâng vöôït quaù 500km ñeán 700 km , vôùi cöï ly lôùn hôn phaûi truyeàn lan baèng taàng ñieän ly . Söï bieán ñoåi ñieàu kieän truyeàn soùng veà ban ñeâm vaø ban ngaøy. - Ban ñeâm soùng trung truyeàn lan baèng caùch phaûn xaï treân lôùp E (lôùp E maät ñoä ñieän töû töông ñoái lôùn ) neân veà ban ñeâm coù theå thöïc hieän baèng caû soùng ñaát laãn soùng trôøi. - Ban ngaøy do söï xuaát hieän cuûa lôùp D (coù maät ñoä ñieän tích nhoû )neân soùng naøy seõ cho truyeàn qua vaø chòu söï haáp thuï raát maïnh. Ban ngaøy chæ coù hieäu quaû ñoái vôùi soùng ñaát. Söï nhieãu loaïn cuûa ñieän ly khoâng coù aûnh höôûng ñeán soùng trung vì soùng phaûn xaï ôû lôùp E laø lôùp raát ít bò phaù hoaïi trong thôøi gian baûo ñieän ly. Hieän töôïng fading cuûa soùng trung : ÔÛ cöï ly ngaén hieän töôïng fading laø hieän töôïng giao thoa goïi laø soùng ñaát vaø soùng trôøi. ÔÛ cöï ly xa hieän töôïng fading laø do giao thoa giöõa soùng trôøi vaø soùng trôøi taïi ñieåm thu. Do maët taàng ñieän ly thay ñoåi theo chieàu cao, phaûn xaï cuûa soùng cuõng bieán ñoåi daån ñeán söï thay ñoåi quaõng ñöôøng ñi cuûa soùng. 3. Ñaëc ñieåm truyeàn lan cuûa soùng ngaén :
Soùng ngaén coù theå truyeàn lan baèng soùng ñaát vaø soùng ñieän ly. Khi taàn soá taêng söï haáp thuï cuûa maët ñaát ñoái vôùi soùng maët ñaát seõ taêng. Vì vaäy, ñoái vôùi soùng ngaén neáu duøng ñaøi phaùt coù coâng suaát trung bình chæ coù theå truyeàn lan ñöôïc baèng soùng ñaát trong cöï ly khoâng vöôït quaù vaøi chuïc km. Ñoái vôùi cöï ly lôùn phaûi truyeàn soùng baèng soùng ñieän ly. Khi aáy coù theå duøng maùy phaùt coù coâng suaát trung bình cuõng coù theå thoâng tin ñöôïc vaø cöï ly raát xa tôùi haøng nghìn km.
CHÖÔNG II : SÔ LÖÔÏC VEÀ ANTEN VAØ THOÂNG TIN VEÄ TINH. ---oOo--- A. Sô löôïc veà Anten. Trong moät heä thoáng voâ tuyeán, moät soùng ñieän töø lan truyeàn töø maùy phaùt ñeán maùy thu qua khoâng gian. Vieäc truyeàn naêng löôïng ñieän töø trong khoâng gian coù theå ñöôïc thöïc hieän theo hai caùch: - Duøng caùc heä truyeàn daãn nghóa laø caùc heä daãn soùng ñieän töø nhö ñöôøng daây song haønh, ñöôøng truyeàn ñoàng truïc, oáng daãn soùng kim loaïi hoaëc ñieän moâi... Soùng ñieän töø truyeàn lan trong caùc heä thoáng naøy thuoäc loaïi soùng ñieän töø raøng buoäc. - Böùc xaï soùng ra khoâng gian. Soùng seõ ñöôïc truyeàn ñi döôùi daïng soùng ñieän töø töï do. Do ñoù thieát bò duøng ñeå böùc xaï soùng ñieän töø hoaëc thu nhaän soùng töø khoâng gian beân ngoaøi ñöôïc goïi laø Anten. Anten laø moät thieát bò böùc xaï vaø thu naêng löôïng. Chuùng ta ñaõ thaáy anten laø boä phaän quan troïng khoâng theå thieáu ñöôïc cuûa baát kyø heä thoáng voâ tuyeán ñieän naøo, bôûi vì ñaõ laø heä thoáng voâ tuyeán nghóa laø heä thoáng trong ñoù coù söû duïng soùng ñieän töø thì khoâng theå khoâng duøng ñeán thieát bò ñeå böùc xaï hoaëc thu soùng ñieän töø. Anten quyeát ñònh raát nhieàu caùc tính chaát khaùc nhau cuûa tuyeán thoâng tin lieân laïc. Anten coù nhieàu daïng vaø nhieàu caáu truùc khaùc nhau coù loaïi raát ñôn giaûn nhöng coù loaïi raát phöùc taïp. Ta coù hai loaïi anten laø anten voâ höôùng vaø anten coù höôùng. a. Anten voâ höôùng: laø anten coù böùc xaï coâng suaát moät caùch ñoàng nhaát trong moät goùc khoái 4π. b. Anten coù höôùng: laø anten maø noù taäp trung coâng suaát theo moät höôùng nhaát ñònh vì vaäy noù phuï thuoäc vaøo heä soá höôùng tính D( θ,φ ) vaø ñoä lôïiG( θ,φ ). D( θ,φ) moâ taû kieåu böùc xaï, G( θ,φ ) cho ta bieát söï toån hao( nhieät hay coâng suaát böùc xaï vaøo caùc buùp phuï )
Tuy nhieân phaàn töû phaùt xaï chính vaø thu chính chính laø phaàn töû ñoái xöùng vaø khoâng ñoái xöùng. Thoâng thöôøng giöûa anten phaùt vaø anten thu khoâng noái tröïc tieáp vôùi nhau maø ñöôïc gheùp vôùi nhau qua ñöôøng truyeàn naêng löôïng ñieän töø, goïi laø fiñe. Anten phaùt coù nhieäm vuï bieán ñoåi soùng ñieän töø raøng buoäc trong fiñe thaønh soùng ñieän töø do böùc xaï ra khoâng gian. Anten thu thì coù nhieäm vuï ngöôïc vôùi anten phaùt laø tieáp nhaän soùng ñieän töø töï do töø khoâng gian beân ngoaøi vaø bieán ñoåi chuùng thaønh soùng ñieän töø raøng buoäc. Soùng naøy ñöôïc truyeàn theo caùc fiñe. Yeâu caàu cuûa thieát bò anten – fiñe laø phaûi thöïc hieän vieäc truyeàn vaø bieán ñoåi naêng löôïng vôùi hieäu suaát cao nhaát vaø khoâng gaây meùo daïng tín hieäu. - Chaán töû ñoái xöùng laø moät trong nhöõng nguoàn böùc xaï ñöôïc söû duïng khaù phoå bieán trong kyõ thuaät anten. Noù goàm hai daây daøi baèng nhau(hình truï, choùp, elipsoâit) giöõa daây fiñe nhö hình (2.1). Thöôøng duøng nhaát laø chaán töû ñoái xöùng coù chieàu daøi baèng nöûa böôùc soùng vaø ñöôïc goïi laø chaán töû nöõa böôùc soùng. - Chaán töû khoâng ñoái xöùng coù moät ñaàu daây noái vaø moät ñaàu cuûa maùy phaùt(hay maùy thu )coøn ñaàu coøn laïi cuûa maùy phaùt (hay maùy thu ) thì ñöôïc noái ñaát hình (2.2). Hình 2-1.Chaán töû ñoái xöùng. Hình 2-2.chaán töû khoâng ñoái xöùng. Tuøy theo öùng duïng cuûa anten trong caùc heä thoáng thoâng tin voâ tuyeán, voâ tuyeán truyeàn thanh, truyeàn hình, voâ tuyeán ñaïo haøng, voâ tuyeán thieân vaên, voâ tuyeán ñieàu khieån töø xa , rada... maø ngöôøi ta duøng caùc keát caáu töông töï cuûa anten. - Ñoái vôùi caùc ñaøi phaùt thanh vaø voâ tuyeán truyeàn hình thì anten caàn böùc xaï ñoàng ñeàu trong maët phaúng ngang (maët ñaát ), ñeå cho caùc maùy thu ñaëc ôû caùc höôùng baát kyø ñeàu coù theå thu ñöôïc tín hieäu cuûa ñaøi phaùt. Song anten caàn böùc xaï ñònh höôùng trong maët phaúng ñöùng, vôùi höôùng cöïc ñaïi song song maët ñaát ñeå caùc ñaøi thu treân maët ñaát coù theå nhaän ñöôïc tín hieäu lôùn nhaát vaø ñeå giaûm nhoû naêng löôïng böùc xaï theo caùc höôùng khoâng caàn thieát. - Trong thoâng tin maët ñaát hay vuõ truï thoâng tin chuyeån tieáp, rada, voâ tuyeán ñieàu khieån töø xa...thì yeâu caàu anten böùc xaï vôùi höôùng tính cao, nghóa laø soùng böùc xaï chæ taäp trung vaøo moät goùc heïp trong khoâng gian. Nhö vaäy nhieäm vuï cuûa anten khoâng phaûi chæ ñôn giaûn laø bieán ñoåi naêng löôïng ñieän töø cao taàn thaønh soùng ñieän töø töï do maø phaûi böùc xaï soùng aáy theo nhöõng höôùng nhaát ñònh, vôùi caùc yeâu caàu kyõ thuaät cho tröôùc.
I. Nguoàn böùc xaï nguyeân toá cuûa anten. Khi khaûo saùt cuûa anten phöùc taïp, ta phaûi khaûo saùt caùc nguoàn böùc xaï nguyeân toá ñeå laøm cô sôû. Nguoàn böùc xaï nguyeân toá goàm coù: löôõng cöïc ñieän vaø löôõng cöïc töø. 1.Löôõng cöïc ñieän. Löôõng cöïc ñieän laø moät ñoaïn daây daãn maõnh vaø chieàu daøi l raát nhoû so vôùi böôùc soùng (l>l cöôøng ñoä ñieän tröôøng xaùc ñònh baèng bieåu thöùc : E(θ) θ r ϕ 30 KIlsisn θ e − jKr E( θ ) = j (2.1) r 2π Vôùi K= , λ : böôùc soùng λ Ta thaáy cöôøng ñoä tröôøng phuï thuoäc vaøo toaï ñoä khaûo saùt, doøng ñieän treân löôõng cöïc vaø böôùc soùng. II. Löôõng cöïc töø. Voøng daây coù dieän tích s
Cöôøng ñoä tröôøng cuûa löôõng cöïc töø phuï thuoäc vaøo doøng töø, kích thöôùc cuûa noù trong toïa ñoä vaø böôùc soùng. Tröôøng böùc xaï cuûa moät heä thoáng anten ñöôïc tính baèng caùch coäng caùc tröôøng böùc xaï cuûa caùc nguyeân toá rieâng reõ cuûa heä thoáng anten. Khi coäng ngoaøi bieân ñoä phaûi chuù yù goùc pha. II. Caùc thoâng soá cuûa anten phaùt. 1. Ñieän trôû böùc xaï cuûa anten Rbx (Ω ). Rbx laø 1 tham soá bieåu thò quan heä giöõa coâng suaát böùc xaï (W) vôùi doøng ñieän (A) chaïy qua moät ñieåm naøo ñoù cuûa anten. Pbx Rbx= (2.3) Iì Ngöôøi ta thöôøng xaùc ñònh Rbx ôû ñoaïn anten maø doøng ñieän coù bieân ñoä cöïc ñaïi hoaëc ôû caùc ñaàu vaøo. Rbx phuï thuoäc vaøo kích thöôùc cuûa anten so vôùi böôùc soùng, hình daïng anten vaø caùc yeáu toá khaùc. Ñieän trôû böùc xaï laø moät haøm theo (l;λ )ñoái vôùi chaán töû ñoái xöùng, noù chæ phuï thuoäc vaøo ñoä daøi chaán töû chöù khoâng phuï thuoäc ñöôøng kính cuûa chaán töû.
Baûng (1). Ñieän trôû böùc xaï cuûa chaán töû ñoái xöùng coù ñoäi daøi khaùc nhau: L/λ RΣb l/λ RΣb l/λ RΣb 0.250 6.4 0.650 144 1.050 185 0.300 13 0.700 168 1.100 166 0.350 23 0.750 187 1.150 145 0.400 36 0.800 200 1.200 121 0.450 54 0.850 209 1.250 105 0.500 73.1 0.900 212 1.300 93 0.550 96 0.950 210 1.350 87 0.600 120 1.00 199 1.400 85 2. Toång trôû cuûa anten :Ra Toång trôû cuûa anten goàm ñieän trôû böùc xaï (Rbx ) vaø ñieän trôû toån thao (Rth). Rth bieåu thò naêng löôïng toån hao vaøo vieäc nung noùng daây daãn vaø vaät caùch ñieän. Ra =Rbx +Rth (2.4) Neáu tính toång trôû ñoái voái doøng ñieän ôû caùc ñaàu caém anten thì goïi laø ñieän trôû vaøo cuûa anten (Ra vaøo). Rth phuï thuoäc vaøo keát caáu anten vaø daûi soùng laøm vieäc. Khi böôùc soùng giaûm thì Rth giaûm. ÔÛ caùc daûi soùng ngaén thöôøng coù theå boû qua Rth. 3.Hieäu suaát cuûa anten. Hieäu suaát cuûa anten laø quan heä giöõa coâng suaát böùc xaï (Pbx)vôùi toaøn boä coâng suaát ñöa vaøo anten. Toaøn boä coâng suaát ñöa vaøo anten ñöôïc baèng coâng coäng vôùi coâng suaát toån hao (Pth ). 2 Pbx Rbx 1 ηA = = A = (2.5) Pbx + Pth 2 ( Rbx + Rth) Rth A 1+ Rbx Hieäu suaát cuûa anten cuõng laø moät trong caùc thoâng soá quan troïng ñaëc tröng cho möùc ñoä toån hao coâng suaát cuûa anten. 4. Ñoà thò phöông höôùng cuûa anten.
Bieåu thò söï phuï thuoäc bieân ñoä theo phöông höôùng baèng phöông phaùp toaùn hoïc hoaëc ñoà thò. Khi bieåu thò ñaëc tính phuông höôùng baèng ñoà thò ngöôøi ta duøng caùc ñöôøng cong phaúng veõ ñaëc tính phöông höôùng theo hai maët phaúng chính, maët phaúng ngang vaø maët phaúng ñöùng (ñoái vôùi maët ñaát ). Buùp cuûa ñaëc tính phöông höôùng öùng vôùi höôùng phaùt cöïc ñaïi goïi laø buùp chính coøn caùc buùp khaùc goïi laø buùp phuï. Ví duï : buùp höôùng cuûa anten ñöùng noái ñaát. Hình 2-3.Buùp höôùng cuûa anten noái ñaát. 5. Heä soá taùc duïng phöông höôùng D. Ñoù laø tyû soá cuûa bình phöông cöôøng ñoä tröôøng ôû höôùng khaûo saùt treân cöôøng ñoä ñieän tröôøng trung bình hay noùi caùch khaùc ñoù laø tæ soá cuûa maät ñoä coâng suaát böùc xaï bôûi anten ôû ñieåm naøo ñoù naèm treân höôùng aáy, treân maät ñoä coâng suaát böùc xaï bôûi anten chuaån cuõng taïi höôùng vaø khoaûng caùch treân. E (θ ) 2 D= (2.6) Etb Ñieän tröôøng trung bình suy ra töø coâng suaát böùc xaï: ρ ∑ = 4π rο2 Stb (2.7) Stb :maät ñoä coâng suaát böùc xaï trung bình . Etb 2 Stb= (2.8) 240π 60 ρ ∑ Suy ra: Etb= (2.9) rο2 E (θ ) rο2 2 Vaäy: D= (2.10) 60 ρ ∑ Chuù yù : khi duøng anten coù tính phöông höôùng thì ñieàu quan troïng laø phaûi höôùng thaät ñuùng höôùng böùc xaï cöïc ñaïi veà phía maø ta ñònh thoâng tin. 6. Heä soá taêng tích cuûa anten (G).
Heä soá taêng tích cuûa anten laø moät thoâng soá bieåu thò cho ñaëc tính böùc xaï cuûa anten so vôùi heä soá ñònh höôùng vì noù khoâng chæ bieåu thò ñôn thuaàn ñaëc tính ñònh höôùng cuûa anten maø coøn bieåu thò söï toån hao treân anten. Heä soá taêng tích laø tích soá cuûa heä soá taùc duïng phöông höôùng vôùi hieäu suaát anten. G laø moät tham soá ñaày ñuû hôn nhaát vì noù khoâng nhöõng keå ñeán taùc duïng phöông höôùng maø coøn keå ñeán caû coâng suaát tieâu hao voâ ích trong anten. 7. Ñaëc tính taàn soá vôùi daûi thoâng taàn cuûa anten. Anten cuõng laø moät heä thoáng dao ñoäng coù tính choïn loïc. Anten phaûi baûo ñaûm ñöôïc hieäu suaát böùc xaï cuõng nhö ñaëc tính phöông höôùng trong baûng taàn soá laøm vieäc. Ngöôøi ta chia ra : a. Anten daûi roäng:laø anten duøng ñeå laøm vieäc ôû moät taàn soá soùng mang nhöng baûo ñaûm böùc xaï khoâng meùo nhöng tín hieäu coù daûi taàn soá raát roäng. b. Anten baêng soùng: laø anten laøm vieäc ôû moät vaøi taàn soá soùng mang. 8. Heä soá khueách ñaïi ε cuûa anten. Heä soá khueách ñaïi ε laø tích soá cuûa heä soá tính phöông höôùng D vôùi hieäu suaát η: ε = D.η (2.11) ε: bieåu thò maät ñoä coâng suaát böùc xaï ôû moät ñieåm quan saùt naùo ñoù lôùn hôn bao nhieâu laàn so vôùi tröôøng hôïp coâng suaát vaøo Pv cuûa anten ñöôïc phaân boá ñeàu trong khoâng gian. 9. Ñoä daøi hieäu duïng. Ñoä daøi hieäu duïng laø chieàu daøi cuûa moät caïnh hình chöõ nhaät, coù dieän tích baèng tích cuûa bieân ñoä doøng ñieän taïi ñieåm caáp ñieän vaø ñoä daøi aáy. Töø ñaây ta coù theå noùi: ñoä daøi hieäu duïng cuûa anten laø ñoä daøi cuûa moät anten daây giaû ñònh coù doøng ñieän phaân boá ñoàng ñeàu vôùi bieân ñoä baèng bieân ñoä doøng ñieän taïi ñieåm caáp ñieän cuûa anten khaûo saùt. Ñoä daøi hieäu duïng cuûa anten coù giaù trò khaùc ñoä daøi hình hoïc, vaø phuï thuoäc vaøo λ böôùc soùng. Ñoái vôùi daây daãn coù ñoä daøi l= thì ñoä daøi hieäu duïng coù 2 λ giaù trò nghóa laø chæ baèng 0.637l. Tröôøng hôïp daây daãn coù ñoä daøi raát π