Bài giảng Kỹ thuật Anten truyền sóng - Phần 1: Anten - Chương 2: Các đặc tính của Anten

pdf 32 trang phuongnguyen 2980
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật Anten truyền sóng - Phần 1: Anten - Chương 2: Các đặc tính của Anten", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_ky_thuat_anten_truyen_song_phan_1_anten_chuong_2_c.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật Anten truyền sóng - Phần 1: Anten - Chương 2: Các đặc tính của Anten

  1. CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN 1. TRỞ KHÁNG VÀO CỦA ANTEN VZ, SS~ Anten RS jX S I A RA V V S ~ A jX A ZAAA R jX 2 2 ZZ 1 VS AS PR P q. P qt 1   AAA t S ZZ 2 ZZSA AS
  2. 2. HIỆU SUẤT CỦA ANTEN P e R VZSS, Anten PA ~ PDARA P P (1 e ) P RS jX S I A 1 2 PRIAAA R 2 R 1 2 ZAAA R jX V RD PRIRRA S ~ V Z R R jX 2 A ARDA 1 2 jX PRI A DDA2 PRR e RRR PRRRAARD
  3. 3. TRƯỜNG ĐIỆN TỪ BỨC XẠ TỪ ANTEN Trường điện ở miền xa anten, một cách tổng quát có dạng e j k r E( r ) F ( ,  ). ˆˆ F (  ,  ).  r  2 k .  
  4. e j k r E( r ) F ( ,  ). ˆˆ F (  ,  ).  r  Cường độ trường điện phụ thuộc hướng bức xạ: , Cường độ trường điện tỉ lệ nghịch với r (cường độ trường càng giảm khi càng xa anten) Khi điểm quan sát đủ xa anten, trường bức xạ từ anten có thể được xem là sóng phẳng. Khi đó trường từ H có thể được tính: 1 H()() r rˆ E r  z : Là trở kháng sóng của môi trường  C 1 e jkr H() r . rˆˆ F (,).  ˆˆ r F (,).     r  1 e jkr H() r . F (,).  ˆˆ F (,).     r 
  5. e j k r E( r ) F ( ,  ). ˆˆ F (  ,  ).  r  1 e jkr H() r . F (,).  ˆˆ F (,).     r  Trường điện và trường từ ở vùng xa anten thì vuông góc gới nhau và vuông góc với chiều truyền sóng.
  6. 4. CÔNG SUẤT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ BỨC XẠ TỪ ANTEN Vector Poynting được định nghĩa: 1 S().()() r E r H* r 2 Phần thực của vector Poynting đặc trưng cho dòng công suất của trường điện từ. Nó được gọi là vector mật độ công suất: W( r ) Re S ( r ) ee j k r1 jkr * W()Re r F (,).ˆ F (,).  ˆ . F (,).  ˆ F (,).  ˆ      rr 1 2 2 W()(,)(,) r F  F   rˆ 2. .r2 
  7. 1 2 2 W()(,)(,) r F  F   rˆ 2. .r2  Vector mật độ công suất có hướng của vector r. Như vậy ở miền xa anten công suất chảy theo chiều tia xa dần anten Mật độ công suất: 1 2 2 W()()(,)(,) r W r F  F   2. .r 2  Mật độ công suất tỉ lệ nghịch với bình phương của r.
  8. Góc khối: Góc tính theo radian: dl d () rad r Góc khối tính theo steradian: dS d () sr r 2 Vi phân diện tích: dS ( r . d ).( r .sin  . d  ) d  sin . d  . d 
  9. Cường độ bức xạ được định nghĩa:Cường độ bức xạ U của anten theo một hướng cho trước là công suất bức xạ trên một đơn vị góc khối theo hướng đó.  Công suất bức xạ gửi qua diện tích dS: dS W( r ). dS  W ( r ). d . r2 r 2 U().() r r W r Mặt cầu 1 2 2 U(,).()(,)(,)  r2 W r F   F   2.  Cường độ bức xạ không phụ thuộc vào r mà chỉ phụ thuộc  , . Công suất bức xạ từ anten: P W( r ). dS R S
  10. Chọn S là mặt cầu bán kính r rất lớn bao trùm toàn bộ anten P W( r ). dS R S P W( r ). rˆ . dS R S dS ( r . d )( r .sin  . d  ). rˆ 2 P W( r ). rˆˆ . ( r . d )( r .sin  . d  ). r R      00 2 rˆ P W( r ). r2 .sin . d  . d  ˆ R   00  M 2 r ˆ P U( ,  ). sin  . d  . d   R    00  P  U( , ). d R S
  11. 5. SỰ PHÂN CỰC Khi quan sát trường bức xạ ở rất xa anten. Tại vị trí quan sát có thể xem như trường bức xạ của anten là sóng phẳng: vector trường điện E và trường từ H vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Tuy nhiên theo thời gian vector trường có thể có phương cố định hoặc quay khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng.  Nếu vector trường có phương cố định : phân cực tuyến tính.  Nếu vector trường vẽ thành 1 đường tròn : phân cực tròn.  Nếu vector trường vẽ thành 1 ellip: phân cực ellip. Chiều quay có thể là cùng chiều kim đồng hồ (right hand polarization) hoặc ngược chiều kim đồng hồ (left hand polarization).
  12. Ví dụ: vector trường điện của anten ở vùng xa có biểu thức: e j k r E( r ) sin .cos  . ˆˆ j .sin  .  r Xác định sự phân cực của trường anten dọc theo: a) +x b)-x c)+y d)-y a) Dọc theo trục +x:  ,  0,r x ; ˆˆ  zˆ ,   yˆ 2 e j k x E(). r  zˆ j yˆ  x jt E( r , t ) Re E ( r ). e jkx jkx j. eej t j t E( r , t ) Re zˆ . . e yˆ . e2 . . e Điểm quan sát x xx ˆ   yˆ cos(t kx ) z cos(t kx ) E(,) r t zˆ yˆ 2 xx r E(,) r t Sóng phân cực tròn tay trái (quay ngược chiều y kim đồng hồ) ˆ  zˆ anten
  13. Trường bức xạ từ anten có các kiểu phân cực khác nhau tùy theo hướng. Người ta thể hiện sự đặc trưng phân cực của anten bằng một vector phân cực: FF( ,  ). ˆˆ (  ,  ).  pˆ(,)  F(,) 2 2 FFF(,)(,)(,)       e j k r E( r ) F ( ,  ). pˆ (  ,  ) r e j k r H( r ) F ( ,  ). rˆˆ p (  ,  ) .r
  14. 6. ĐỒ THỊ BỨC XẠ  Đồ thị về cường độ trường E hoặc H.  Đồ thị về công suất, mật độ công suất trường bức xạ.  Đồ thị cường độ bức xạ U.  Đồ thị về độ định hướng D .  Đồ thị ở dạng 3 D  Đồ thị ở dạng 2D: Hệ toạ độ cực hoặc hệ toạ độ decard. Thường các đồ thị được vẽ theo hàm đã chuẩn hoá: F(,) Fn (,) Fmax U(,) Un (,) Umax
  15. 90o 120o 60o 150o 30o  180o 0.5 1 0o o -150o -30 o -120o -60 -90o 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 50 100 150 200 250 300 350
  16. 7. ĐỘ RỘNG NỬA CÔNG SUẤT, ĐỘ RỘNG GIỮA CÁC GIÁ TRỊ KHÔNG ĐẦU TIÊNÏ (-) HPBW HP HP left right 1 1 U () HP U () HP n left 2 n right 2
  17. BWFN null null left right
  18. 8. GÓC KHỐI CỦA ANTEN (-) z Góc khối của anten là một góc khối theo chùm  A chính của anten đang khảo sát. Công suất chảy qua góc khối đó bằng với toàn bộ công suất bức xạ của anten. với giả thuyết là cường độ bức xạ phân bố trong góc khối phân bố đều và có độ lớn bằng cường độ bức xạ cực đại của anten đang khảo sát. Xét 2 anten: anten chúng ta đang khảo sát và một anten giả thuyết. Anten giả thuyết có cường độ bức xạ phân bố đều và bằng cường độ bức xạcực đại của anten đang khảo sát. Tổng công suất bức xạ từ anten đang khảo sát: P  U( , ). d R S Công suất bức xạ qua góc khối  của anten giả thuyết: A y PURA max . ()A Ud( , ).  PR S A ()sr x UUmax max
  19. 9. ĐỘ ĐỊNH HƯỚNG, HỆ SỐ ĐỊNH HƯỚNG Xét 2 anten: anten chúng ta đang khảo sát và một anten giả thuyết. Anten giả thuyết (đẳng hướng) có cường độ bức xạ phân bố đều và có cùng công suất bức xạ với anten đang khảo sát. Độ định hướng D là tỉ số giữa cường độ bức xạ của anten theo hướng đó và cường độ bức xạ của anten đẳng hướng theo hướng tương ứng và có cùng công suất bức xạ. Vậy cường độ bức xạ của anten đẳng hướng này bằng cường độ bức xạ trung bình của anten đang khảo sát. P 1 U R U( , ). d  a 44 S Độ định hướng: U(,) D(,) Ua Hệ số định hướng: Dmax D Max D(,)
  20. 10. ĐỘ LỢI CỦA ANTEN Trong trường hợp hiệu suất e của anten là 100% thì độ lợi của anten theo hướng chính là độ định hướng theo hướng tương ứng. Trường hợp tổng quát độ lợi của anten: G(,).(,)  e D   PRA e. P UU( ,  ) 4 (  ,  ) G(,) P A PA 4 Độ lợi cực đại của anten: 4 Umax Gmax G Max G(,) PA
  21. 11. ANTEN THU Einc Khi có sự phối hợp trở kháng giữa Anten ZL anten và tải: * (,) Tải ZZAL Công suất đến tải là lớn nhất: 2 I L VC PPLC 8RA RA RL Nếu không có sự phối hợp trở kháng: jX A VL P q. P jX L r C V L C ~ 4.RRAL . qr 2 ZZLA
  22. Diện tích hiệu dụng của anten thu Einc Anten Z Khi biết diện tích hiệu dụng của anten thì L có thể tính được công suất khả dụng của (,) Tải anten thu đưa đến tải: inc PASCe . S inc Là mật độ công suất trung bình của sóng tới trong mặt phẳng tới. Ae A e ,, pˆ inc Là diện tích hiệu dụng của anten pˆinc Là vector phân cực của sóng tới 2 inc E inc E inc pˆ S inc inc 2. E 2  2 A ,,.,.,.  pˆ G   p ˆ   p ˆ e inc4 inc
  23. Diện tích hiệu dụng của anten dipole Hertz: I L Khi phối hợp trở kháng: RRXXLRLA , RR 2 2 1 2 VV RL PPIRR CC LCLRR jX A VL 2 2RRRR 8 jX 22 V L EEinc inc C ~ S inc 2. 240 2 PC 30 VC Ae S inc inc 2 RER inc inc với chiều dài l, sóng tới E tạo ra sức điện động : VC El. 2 2 l RR 80  2 3 2  D A DdipoleHertz 1,5 Ae e 8 4
  24. 2  2 A ,,.,.,.,()  pˆ G   p ˆ   p ˆ m2 e inc4 inc Diện tích hiệu dụng của anten theo hướng cho trước tỉ lệ với độ lợi G của anten theo hướng đó. 2 Hệ số ppˆˆ  ,. inc cho thấy: theo một hướng cho trước nếu ở chế độ phát anten không thể bức xạvới một kiểu phân cực nào đó thì ở chế độ thu nó cũng không thể thu nhận được năng lượng của trường với kiểu phân cực đó.
  25. z e jkr E( r ) E . .sin  . ˆ 0 r pˆ(,)  ˆ Anten 2 nguyên tố thẳng  2 ˆ r M rˆ l O I ˆ  , 2 ˆ ˆ EEinc . pˆinc  ppˆˆ( , ).inc 1 : max
  26. 12. TUYẾN ANTEN Z Ar, ZL (,)rr Tải r Anten thu Z At, VZSS, (,) ~ tt Anten phát Công suất đến tải: PL q r. P C inc PC A e  r,,. r pˆ t S t Diện tích hiệu dụng của anten Mật độ công suất bức xạ từ thu theo hướng  rr , với anten phát tại vị trí anten phân cực của sóng tới là pˆt thu
  27. Mật độ công suất bức xạ từ anten phát tại vị trí anten thu: 1 2 2 W()(,)(,) r F  F   S inc 2. .r2 ,,tt t 1 Sinc W r,,.,  U   t t tr2 t t t GP,. GPt  t,. t A inc t t t A U , St 2 t t t 4 4. r inc PC A e  r,,. r pˆ t S t 2 2 .,.,.,.,.Grrr   pˆˆ rrrttt   p   G tttA   P PC 4. r 2
  28. 2 2 .,.,.,.,.Grrr   pˆˆ rrrttt   p   G tttA   P PC 4. r 2 PL q r. P C PA q t. P S 2 2  ,.,.,., qrrrr G   pˆˆ rrrttt   p   G ttttS   q P PL 4. r 2 Gr  r,.,  r e r D r  r  r Gt  t,.,  t e t D t  t  t 2 2  ,.,.,., errrrr q D   pˆˆ rrr   p ttt   D tttttS   e q P PL 4. r 2 Đây là Công thức truyền dẫn Friis
  29. 2 2  ,.,.,., errrrr q D   pˆˆ rrr   p ttt   D tttttS   e q P PL 4. r 2 eqrr.:Hệ số thể hiện mất mát của phía thu eqtt.:Hệ số thể hiện mất mát của phía phát 2 ppˆˆr  r,.,  r t  t  t Hệ số thể hiện mất mát do mất phối hợp phân cực của tuyến anten 2  : Hệ số mất mát không gian 4. r Công thức tính công suất nhận được ở tải phía thu tính theo dBm: PL dBm P S dBm G r  r,,  r  dB G t  t  t  dB 20log(r ) km 20log( f ) MHz qt dB q r dB 20log pˆˆ r  r ,  r . p t  t ,  t 32,43