Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, lĩnh vực thông tin liên lạc nói
chung và thông tin hàng hải nói riêng cũng đã có những bớc tiến dài trong lịch sử phát
triển của mình và ngày càng đáp ứng đợc nhu cầu của xã hội hiện đại.
Việc ứng dụng những phơng thức thông tin mới và kỹ thuật điện tử tiên tiến vào trong
thông tin vô tuyến điện, đã làm cho chất lợng thông tin đợc nâng lên đáng kểvà cự ly
thông tin thì vơn xa hơn. Tuy nhiên, Anten vẫn là thiết bị không thể thiếu đợc trong hệ
thống thông tin vô tuyến điện.
Để việc truyền đạt tín hiệu vô tuyến điện từ hệ thống phát tới hệ thống thu đạt
hiệu quả cao, nếu cha xét đến ảnh hởng của môi trờng truyền sóng đến chất lợng thông
tin thì bản thân Anten phải có khả năng bức xạ với hiệu suất cao và không làm méo
dạng tín hiệu.
Sự thay đổi của trở kháng vào và đặc tính phơng hớng của Anten, khi tần số
công tác của Anten thay đổi, kéo theo sự thay đổi công suất bức xạ của Anten, hớng
thông tin cũng bị thay đổi và còn làm méo dạng tín hiệu vô tuyến điện. Giảm nhỏ sự
phụ thuộc của trở kháng vào và đặc tính phơng hớng của Anten đối với tần số đợc gọi là
mở rộng dải tần làm việc cho Anten. Mở rộng dải tần công tác cho Anten còn có ý
nghĩa là giảm bớt sự phức tạp trong vẫn đề phối hợp trở kháng giữa máy phát và Anten.
Xuất phát từ những ý tởng trên đây và sự hớng dẫn của các thày giáo trong khoa
em mạnh dạn chọn đề tài tôt nghiệp : Phơng pháp mở rộng dải tần số của Anten và thiết
kế Anten lồng cho dải tần MF/HF.
Đề tài gồm hai phần :
- Phần I : Phơng pháp mở rộng dải tần số Anten.
+ Chơng I : Lý thuyết Anten chấn tử.
+ Chơng II : Phơng pháp mở rộng dải tần số Anten.
- Phần II : Thiết kế Anten lồng MF/HF.
+ Chơng III : Lý thuyết truyền sóng băng sóng trung, ngắn
và Anten lồng.
+ Chơng IV : Thiết kế và phối hợp trở kháng cho
Anten lồng MF/HF.
1
l
z =
2
l
o z
Hình 1. 2
Giả sử khi biến dạng đờng 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.
I(z) = I
b
sin (
Z
l
2
) (1-1)
Trong đó : I
b
là biên độ dòng điện ở điểm bụng sóng đứng
2
l
là chiều dài một nhánh chấn tử.
Tuy nhiên, những suy luận về sự tơng tự nêu ở trên chỉ có tính chất gần đúng vì
khi cả hai hệ thống (đờng dây song hành và chấn tử) đều đều là các hệ thống dao động
với các thông số phân bố nhng giữa chúng có sự khác nhau :
Các thông số của đờng dây song hành không biến đổi dọc theo đờng dây, còn thông số
phân bố của chấn tử thì biến đổi ứng với các vị trí khác nhau trên chấn tử (hình 1-2b).
Đờng dây song hành thực tế là hệ thống để truyền dẫn năng lợng chứ không phải
sin
)
2
coscos
2
cos(
klkl
e
-jkR
(1-2)
Hoặc
E
=
2
sin
60
kl
R
Ibj
Giả thiết dòng điện trên chấn tử chỉ có thành phần dọc theo trục I
z
, điện tích nằm trên
bề mặt dây và có mật độ điện dài Qz. Ta có phơng trình bảo toàn điện tích đợc viết dới
dạng
j
dz
dIz
+
z = 0 (1-4)
I
z
= 2aJ
z
: là biên độ dòng điện tại toạ độ z của chấn tử
J
z
: là mật độ dòng điện mặt
Q
z
: điện tích mặt trên một đơn vị chiều dài chấn tử
Giải phơng trình (1-4)đối với Qz, trong đó thay I
z
bởi (1-1) ta có
Q
z1
=
j
Xét tính phơng hớng trong mặt phảng kinh tuyến.
5
~
~
a, l/ = 0,5
a, l/ = 1
a, l/ = 1,35
Hình 1.3
~
d
Z1
d
Z2
z
M
l/2
l/2
R
0
R
1
R
2
Hình 1.4
Giả sử có chấn tử đối xứng có chiều dài L đặt trong không gian tự do, sát điểm
M ở khá xa chấn tử :
Lấy hai phần tử vô cùng nhỏ dz1 và dz2 cách gốc toạ độ là z, coi hai phần tử là 2 Dipol
điện.
Vì khoảng cách từ Dipol điện đến điểm M khá xa nên coi R
1
60
R
I
dz
1
sin e
jkR
1
(1.6)
Tơng tự dz
2
bức xạ tới M cờng độ trờng là dE
2
dE
2
= j.
2
60
R
I
dz
1
sin e
jkR
2
0
60
R
I
dz sin e
-jk(R0
+ z cos
)
Với dòng điện phân bố theo quy luật hình sin
I = I
m
sin k(
z
l
2
)
Cờng độ trờng tổng tại M là :
dE = dE
1
+ dE
2
dE = j
0
Im60
)sin.2cos(kzcos)e
-jkRo
Cờng độ trờng tại M là:
E
0
M =
2
0
l
dE
= J
Ro
Im120
sine
-jkRo
2
0
)coscos()
2
(sin
l
dzkzZ
l
K
Im60
l
K
l
K
Ro
K
(1.10)
Hàm phơng hớng của chấn tử đối xứng:
f() =
sin
2
cos)cos
2
cos(
l
K
l
K
(1.11)
Đồ thị hớng của chấn tử đối xứng trong mặt phẳng kinh tuyến:
Hình : 1.5
Nhận xét :
- Với một giá trị của tỉ số
l
đều không có bức xạ dọc theo chấn tử.
o
a, l/=0,5
90
o
0
o
180
o
270
o
d, l/=2
0
o
90
o
180
o
270
o
c, l/=1,35
90
o
0
o
180
o
270
o
b, l/=1
1
0
1
C
L
à
=
1
0
1
1
CC
L
à
=
=
d
.
Nếu đờng dây đợc đặt trong không gian tự do thì à=à
0
,=
0
.Trở kháng sóng của
đờng dây có thể biểu thị qua thông số của môi trờng và một trong hai thông số L
1
hoặc
C
1
của đờng dây .
= 1ln120
a
l
A
(1.15)
l : chiều dài chấn tử
a : bán kính của chấn tử.
Công thức (1.15) chỉ có độ chính xác cho phép khi chấn tử có chiều dài tơng đối
ngắn so với bớc sóng (khi l<). Khi tăng độ dài chấn tử sai số sẽ tăng theo .
Công thức chính xác hơn để tính trở kháng sóng của chấn tử .Khi độ dài l> là
công thức của Kesenich.
= E
a
A
ln120
(1.16)
0
2
sin
2
coscos
2
cos
KlKl
d
. (1.17)
Tơng tự nh dipol điện ,ỏ đây ta cũng định nghĩa điện trở bức xạ của chấn tử là
đại lợng biểu thị quan hệ giữa công suất bức xạ và bình phơng dòng điện trên chấn tử.
P
bx
=
bx
RI
2
2
1
(1.18)
Tuy nhiên trong trờng hợp này dòng điện có biên độ phân bố không đều dọc
theo chấn tử.Vì vậy khi biểu thị công suất bức xạ qua biên độ dòng điện tại vị trí nào đó
của chấn tử thì tơng ứng sẽ có điện trở bức xạ ứng với dòng điện ở điểm vào (R
)hay
điện trở bức xạ ở điểm bụng (R
d
KlKl
0
2
sin
2
coscos.
2
cos
(1.19)
Từ công thức (1.19) ta có thể nhận thấy rằng điện trở bức xạ của chấn tử đối
xứng tính theo dòng điện ở điểm bụng chỉ có quan hệ với tích số K.l (độ dài điện của
chấn tử) mà không phụ thuộc vào đờng kính chấn tử. Công thức trên chỉ là gần đúng
l
khi đó điện trở bức xạ là 210 . Sau đó điện trở bức xạ dao
động và có cực đại ở gần các giá trị l bằng bội số chẵn của
2
cực tiểu ở gần các giá trị
bằng bội số lẻ của
2
l
.
Đặc tính biến đổi nói trên có thể đợc lý giải từ mối quan hệ giữa công suất bức
xạ (và điện trở bức xạ) với quy luật phan bố dòng điện trên chấn tử. Khi
l
nhỏ (chấn
tử gần giống Dipol điện) thì tăng l sẽ tăng số phần tử dòng điện đồng pha, do đó tăng
công suất bức xạ . nhng khi l > trên chấn tử xuất hiện khu vực dòng điện ngợc pha
làm giảm công suất và điện trở bức xạ của chấn tử.
5. Hệ số định hớng của chấn tử đối xứng.
Hệ số định hớng của chấn tử đối xứng ở hớng nào đó đợc xác định bởi :
D() =
2
2 R
WP
E
px
(1.20)
D
l
Từ hình vẽ ta thấy khi độ dài chấn tử còn nhỏ thì tăng độ dài chấn tử sẽ dẫn tới
tăng hệ số định hớng. Với
5,0=
l
ta có D
max
= 1,64. Khi
1=
l
(chấn tử toàn sóng) thì
D
max
= 2,41. Còn khi tăng
l
U
= R
V.A
+ jX
V.A
(1 22)
12
Trong tính toán kỹ thuật, để xác định trở kháng vào có thể áp dụng giả thiết gần
đúng về dòng điện hình sin. Điện áp vào U
0
sẽ bằng hiệu điện thế tại đầu vào hai nhánh
chấn tử.
U
0
= U
1
U
2
(1 23)
1
kl
Cj
kI
b
(1.25)
Thay vào (1.21) ta đợc
U
0
=
)
2
cos(
1
kl
Cj
kI
b
Ta có
A
CC
K
à
==
Nên Z
VA
= R
0
-
)28.1(
2
cot
kl
gj
a
R
0
biểu thị công suất bức xạ của anten, công suất bức xạ của anten gần bằng
công suất đợc cung cấp cho anten :
P
0
P
(1. 29)
VAm
RIRI
2
0
2
0
2
)30.1(
2
cot
2
sin
2
kl
gj
kl
R
Z
A
b
VA
=
Công thức trên nhận đợc khi tính toán theo giả thiết phân bố dòng điện hình sin
trên chấn tử. Khi độ dài chấn tử bằng nửa bớc sóng (l 0,5 ) thì công thức (1.29) cho
kết quả hợp lý có thể chấp nhận đợc. Nhng khi độ dài chấn tử tăng lên thì độ chính xác
của công thức giảm đi đến khi l = thì công thức (1.29) không còn ý nghĩa bởi cả phần
thực và phần ảo đều bằng vô cùng.
Đây là một nhợc điểm dễ nhận thấy của phơng pháp lý thuyết đờng dây vì theo
lý thuyết này khi l = dòng điện ở đầu vào chấn tử có giá trị bằng không. Công thức
(1.35) chỉ cho phépứng dụng khi điểm nút dòng điện nằm cách đầu vào chấn tử một
khoảng cách lớn hơn (0,1 ữ 0,15) nghĩa là khi :
( )
4,035,0
2
Q(z) =
00
à
I
b
Chy (
z
l
2
) (1.32)
ở đây y = +j là hệ số truyền lan phức trong đó :
là hệ số pha
là hệ số suy giảm
Đồ thị phân bố dòng điện trên chấn tử tính theo (1.32) đợc vẽ ở hình (1.10)
I
Z
= I
b
shy (
Z
l
2
)
I
Z
= I
b
sink(
Nếu coi chấn tử tơng đơng với đờng dây song hành có tổn hao thì trong trờng
hợp này công suất bức xạ của chấn tử đợc coi tơng đơng với công suất tổn hao trên đ-
ờng dây, R
1
sẽ là giá trị trung bình của điện trở bức xạ. Trên một đơn vị độ dài chấn tử
=
A
là trở kháng sóng của chấn tử khi coi chấn tử tơng với đờng dây không tổn hao
(xác định bởi 1.15 hoặc 1.16) điện trở bức xạ phân bố R1 đợc xác định nh sau : giả sử
R1 có giá trị đồng đều dọc theo chấn tử, công suất bức xạ của mỗi phân tử dz sẽ bằng :
dP
bx
=
1
2
2
1
RI
z
dz
ở đây, I
z
là biên độ dòng điện tại thiết diện khảo sát đợc xác định bởi (1. 32)
Công suất bức xạ bởi chấn tử sẽ bằng
P
bx
=
l
b
dzz
l
yShdzz
l
yShRI
Sau khi thực hiện tích phân ta có
P
bx
=
( )
ylShyl
y
I
b
4
2
(1.35)
ở đây y = +j =
j
R
A
+
1
16
=
2
)(
'
l
jcth
A
+
(1.37)
Trong đó
'
A
là trở kháng sóng của chấn tử khi coi chấn tử tơng đơng với đờng
dây có tổn hao. Đại lợng này đợc xác định nh sau
1
1
1
1
.
1
11
'
22
C
Rj
=
1
, R
1
=
A
Ta có
=
j
j
AAA
1
2
1
'
cos
sin
cos
sin
+
(1.39)
Hình (1.13) và (1.14) biểu thị quan hệ của điện trở và điện kháng vào của chấn
tử với tỷ số l/v ứng với các giá trị khác nhau của trở kháng sóng chấn tử (tính theo công
thức 1.39
17
l
chấn tử có trở kháng sóng rất lớn. Thật vậy khảo sát (1.38) trong trờng hợp chấn tử có
đờng kính rất nhỏ (khi đó có thể coi k), ta nhận đợc độ dài cộng hởng của chấn tử có
các giá trị bằng l
C.H
= n
2
với n là số nguyên , n = 1,2,3,4
là bớc sóng trong không gian tự do
khi tăng đờng kính chấn tử vận tốc pha của sóng trên chấn tử giảm đi, bớc sóng dòng
điện phân bố trên chấn tử giảm (
khoảng giữa chấn tử.
Giả thiết môi trờng xung quanh chấn tử là điện môi lý tởng. Trờng điện từ có quan hệ
với chấn tử thoả mãn các phơng trình Maxweol và do đó thoả mãn định lý về vec tơ
Poynting số phức.
div
p
=- j2
( )
e
tb
m
tb
(1.40)
ở đây
p
=
[ ]
*
2
1
HxE
là vec tơ Poynting phức số, còn
m
tb
và
e
tb
(1.41)
Bây giờ ta biến đổi tích phân theo S
2
. vì mặt tích phân nằm sát với mặt chấn tử
nên có thể coi dS
2
= -
n
dS (ở đây
n
là véctơ pháp tuyến của bề mặt dây dẫn; dS là vi
phân bề mặt).
Ta biến đổi tích vô hớng
Sp
.d
2S
:
dSEJdSEnxHdSnHxESdSp
S
*
2
1
)*(
2
1
)*(
2
1
2 ===
*
dSEdSEJ
S
S
2
*
dLJ
S
ở đây
là tích phân lấy theo chu vi thiêt diện của dây dẫn có giá trị bằng I
iz
Z
*
(
Iz
- dòng điện chảy trên dây dẫn ;
iz
- véctơ đơn vị theo hớng trục Z)
vì vậy
dzEIdSSp
L
z
S
=
*
2
2
S
PdSSp =
1
1
(1.44)
(R)
Số hạng thứ hai ở vế phải của (1.43) có giá trị thuần ảo hoặc bằng không. từ đây
ta có thể rút ra kết luận quan trọng đối tích phân ở vế trái của (1.44). Phần thực của tích
phân chính là phần hữu công của công suất bức xạ của chấn tử.
-
bx
l
zSe
PdEIR =
*
2
1
(1.45)
Phần ảo của tích phân chính là phần công suất vô công giàng buộc với trờng ở
khu gần chấn tử.
-
dvwwwdEII
e
bt
v
m
bt
l
zt
.dz
Tích số E
zt
d
z
chính là sức điện động cảm ứng tạo bởi trờng E
zt
trên độ dài vi
phân dz của chấn tử. chính vì lẽ đó mà phơng pháp trình bày ở trên đợc gọi là phơng
pháp sức điện động cảm ứng.
21
Công thức (1.50) đợc viết dới dạng :
P
p
= -
l
ZTZ
dzEI
*
2
1
(1.48a)
ở đây E
zt
là thành phần tiếp tuyến của điện trờng trên bề mặt chấn tử và đợc xác
định theo công thức :
E
z
zt
. giả thiết chấn tử làm bằng vật dẫn lý t-
ởng, khi đó để thỏa mãn điều kiện bờ của vật dẫn, trên mặt phần tử dz cần xuất hiện
thành phần điện trờng tiếp tuyến bằng trị số và ngợc dấu vơí thành phần điện trờng E
zt
ở trên, nghĩa là cần xuất hiện sức điện động:
de = -E
zt
. dz
Sức điện động này do nguồn cung cấp cho phần tử dz. Công suất tổng cộng của
nguồn cung cấp cho phần tử bằng :
P
p
=
=
l
zzz
l
z
dzEIdlI
**
2
1
2
1
Trở kháng bức xạ phức của chấn tử tính theo dòng điện ở điểm bụng sẽ bằng :
Z
bxb
=
0
1
2
zz
dz (1.50)
Biết công suất bức xạ phức có thể tìm đợc trử kháng bức xạ của chấn tử. Đối với
chấn tử nửa sóng (l=
2
) ta nhận đợc :
Z
bxb
= R
bx
+ jX
= (73,1 + j42,5)
b. Trở kháng vào của chấn tử.
Trong phần này chúng ta khảo sát phơng pháp tính trở kháng vào của chấn tử
bằng cách áp dụng phong pháp sức điện động cảm ứng và nguyên lý tơng hỗ đối với
mạng hai cực tuyến tính.
22
gọi e
1
, I
2
lần lợt là sức điện động ở cửa 1 và dòng điện ở cửa 2 của mạng ở trạng thái a,
còn e
2
(1) (2) (1) (2)
(a) (b)
I
0
d
e0
Hình 1.16 Hình 1.17
Nếu đặt sức điện động de vào phần tử dz của chấn tử thì ở đầu vào chấn tử có
dòng I
0
, còn khi đặt ở đầu vào chấn tử sức điện động de thì ở phần tử dz sẽ có dòng I
z
.
Vì chấn tử đợc coi là hệ tuyến tính nên có thể coi đầu vào của chấn tử, điểm đặt sức
điện động de trên chấn tử nh các đầu của một mạng hai cửa tuyến tính .
áp dụng công thức (4.99) ta có thể viết :
)(
0
0
zI
de
I
de
=
Hay:
de
I
zd
de
o
Z
V.A
=
=
l
zt
dzzfE
II
e
)(
1
00
0
(1.54)
Trở kháng vào của chấn tử cũng có thể đợc tình toán theo cách suy luận khác khi
biết tổng công suất đặt vào chấn tử và dòng điện ở đầu vào chấn tử, nghĩa là xác định
theo công thức (1.50). Nếu ta thay I= I
0
f(z) thì sẽ nhận đợc
Z
V.A
= Z
0
= -
dzzfE
I
I
l
*
0
(1.56)
Hai công thức (1.55) và (1.56) sẽ cho kết quả giống nhau nên hàm phân bố dòng
điện f(z) là hàm thực. Khi ấy f(z) = f
*
(z).
Các kết luận trên sẽ dùng khi phân bố dòng điện trên chấn tử có dạng hình sin,
với hàm phân bố . Nếu điều kiện trên không thoả mãn thì công thức (1.55) vẫn biểu thị
trở kháng vào của chấn tử nhng (1.56) sẽ chỉ là trở kháng bức xạ mà không biểu thị trở
kháng vào.
Đối với chấn tử nửa sóng (l =
2
) ta nhận đợc :
Z
V.A
= Z
0
= (73,1 + i42,5)
Nh vậy trở kháng vào của chấn tử nửa sóng sẽ là một đại lợng phức, phần điện
kháng của nó có đặc tính cảm kháng. Điều này phù hợp với kết quả khảo sát ở trên. Để
điều chỉnh cộng hởng cần rút ngắn độ dài mối nhánh chấn tử một đoạn l. Khi ấy điện
kháng vào của chấn tử có độ dài l
=
l 2
2
0
- -
2
cot
'
kl
g
A
= 0
Thay l
=
l 25,0
ta có :
24
cotg
ltgklkg
kl
== )
2
(cot
2
'
Khi
l
khá nhỏ (k
0
2
)
Chơng II . Phơng pháp mở rộng dải tần làm việc của anten.
1. Khái niệm về dải thông tần và dải tần làm việc của anten.
a. Dải thông tần.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©