›
›

Bài giảng môn Trường điện từ - Chương 6: Bức xạ điện từ và anten

6.1 Khái niệm bức xạ điện từ:
Bức xạ điện từ là hiện tượng một phần năng lượng của nguồn
gởi ra không gian dưới dạng sóng điện từ. 
Nguồn bức xạ điện từ thường là anten. Là các dây dẫn mảnh,
tạo hay thu sóng điện từ. 

6.2.1 Trường điện từ của nguyên tố anten

pdf 46 trang thamphan 28/12/2022 3080
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn Trường điện từ - Chương 6: Bức xạ điện từ và anten", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_mon_truong_dien_tu_chuong_6_buc_xa_dien_tu_va_ante.pdf

Nội dung text: Bài giảng môn Trường điện từ - Chương 6: Bức xạ điện từ và anten

  1. Ch 6: Bức xạ điện từ và anten EM - Ch6 1
  2. 6.1 Khái niệm bức xạ điện từ:  Bức xạ điện từ là hiện tượng một phần năng lượng của nguồn gởi ra không gian dưới dạng sóng điện từ.  Nguồn bức xạ điện từ thường là anten. Là các dây dẫn mảnh, tạo hay thu sóng điện từ. Sóng điện từ Zn + _ Đường dây Đường dây Z2 Em Anten phát Anten thu EM - Ch6 3
  3. 6.2 Nguyên tố anten thẳng: EM - Ch6 5
  4. 6.2.1 Trường điện từ của nguyên tố anten:  Đối với nguyên tố anten thẳng: ℓ <<  ( ℓ /20 ) Dòng trên anten xem hằng số: I(z)  Im   Thế vector tạo ra do I(z) :    Ie jβr  A l azz A a 4r  Chuyển sang hệ tọa độ cầu:    A Ar ar A a    (Acos )ar ( Asin )a EM - Ch6 7
  5. 6.2.2 Miền gần của nguyên tố anten:  Miền gần thỏa điều kiện: r << 1 (r << /2 ) .   Ta có:  H H a  1 1 1 jβr  2 2 3 3 ;e ~ 1   βr β r β r E Er ar E a   Với:  llIβ2 sin 1 Isin H 4 β2 r 2 4 r 2   jl Icos Er 2r  3   jl Isin Eθ 4r  3 EM - Ch6 9
  6. 6.2.3 Miền xa của nguyên tố anten: a) Trường điện từ ở miền xa:  Miền xa thỏa điều kiện : r >> 1 (r >> /2 ) . 1 1 1 H H a ; E E a r 2 r 2  3 r 3 θ   Với:     jl Isin jβrμ j l Isin  jβr j l Isin  jβr H;E eθ e  e 2λr ε 2λr 2λr lIm sin o H cos(t βr 90 ) a 2r lIm sin o E  cos( t βr  90 ) a 2r EM - Ch6 11
  7. b) Nhận xét bức xạ ở miền xa : a) Phương: E  H và vuông góc với phương truyền -> sóng điện từ ngang (TEM wave) . b) Biên độ: suy giảm theo qui luật 1/r . c) Pha : t – r +  + 90o = const -> r = const -> mặt đồng pha là mặt cầu. Bức xạ điện từ thuộc loại sóng cầu. (Tuy nhiên , trong kỹ thuật, khi r rất lớn và diện tích khảo sát bé: ta gần đúng mặt đồng pha là mặt phẳng: sóng bức xạ là sóng phẳng ) d) Vận tốc pha = vận tốc truyền sóng trong ptrình D’Alembert: vp v 1/ με e) Do biên độ  sin , bức xạ cực đại khi góc  = 90o và cực tiểu khi  = 0o . Bức xạ điện từ có tính định hướng EM - Ch6 13
  8. c) Công suất bức xạ:  Vectơ Poynting tức thời: 2 P E H  .H .ar H2 0 : dòng công suất điện từ luôn hướng từ nguồn ra miền bên ngoài. Miền xa còn gọi là miền bức xạ.  Vectơ Poynting trung bình ở miền xa: 11 P Re{E H*2 }  .H .a 22mr  Mật độ công suất bức xạ: 11 P  .H22 E r22 m m EM - Ch6 15
  9.  VD 6.2.2: Tính Pbx nguyên tố anten 1 I sin . Mật độ công suất bức xạ: <P  H2 ;H m rm2 m 2r 2 2 2 1 PI  l Im sin  R 2 r 8r22 2 bx m 2 2 l2I 2 sin 2  m 2 1 2 l P 22 (r sin dd   ) bx 8r PIbx  m 00 3  2 2 .Nhận xét: Pbx tỉ lệ nghịch với  , tức là tỉ lệ thuận với f : là lý do dùng cao tần trong bức xạ điện từ. EM - Ch6 17
  10.  Lưu ý: . Điện trở bức xạ thay đổi nhiều theo chiều dài anten . Chọn ℓ = /20 ta có giá trị điện trở bức xạ lớn nhất . EM - Ch6 19
  11. f) Qui trình tính TĐT của anten:  Theo các bước sau đây: 1. Tìm thế vectơ A .  2. Tìm trường từ bằng: 1 H μ rot A 3. Tìm trường điện theo hệ phương trình Maxwell .  1 E jωε rot H 4. Tìm mật độ công suất bức xạ, công suất bức xạ, điện trở bức xạ EM - Ch6 21
  12.  VD 6.2.3: Tính TĐT nguyên tố anten Trường điện & từ ở miền xa:  rr  jj jl Isin jβr j0,5.25sin 15 j0,208sin  15 H e e e 2λr 2.30.r r  r  j H H a jl Isin jβr j78,5sin 15 E  ee 2λr r E Eθ a b) Mật độ công suất bức xạ: 2 2 2 2 2 2 2 P  l Im sin  3770,5 25 sin 8,18sin (W/m2 ) r 82 r 2 8.30 2 r 2 r 2 c) Điện trở bức xạ: 2 1 2 0,5 2.68,54 Pbx .377.25 30 68,54 W Rbx 0,22  3 252 EM - Ch6 23
  13.  VD 6.2.4: Tính TĐT nguyên tố anten (tt) Trường điện & từ ở miền xa:  o o 600  j j. .Isin jβr j1.1 30 sin90 150 o H ee 2,78  120 (μA/m) 2λr 2.300.600   jl Isin jβr o E  e 1,05  120 (mV/m) 2λr 6o H 2,78cos(2 .10t 120 )a (μA/m) 6o E 1,05cos(2 .10t 120 )aθ (mV/m) b) Công suất bức xạ: 1 2 P .377.12 1 4,387 mW bx 3 300 EM - Ch6 25
  14. a) Góc đặc:  Góc đặc (solid angle) là gốc nhìn từ gốc tọa độ, giới hạn bởi diện tích S, tại bán kính r. Đơn vị góc đặc d : dS d (steradian) (sr) r2  Góc đặc  ứng với góc B 2 lượng giác B là : 2  sin .dd  .  00 EM - Ch6 27
  15.  VD 6.3.1: Tính u(, ) nguyên tố anten Từ cường độ bức xạ của nguyên tố anten thẳng : 2 122 1 1 l Im sin PEHr θm  m 2 2 2 2 r l 2I 2 sin 2  u P .r2  m r 8 2 EM - Ch6 29
  16.  VD 6.3.2: Tính un(, ) nguyên tố anten . Từ hàm cường độ bức xạ của nguyên tố anten thẳng: l 2I 2 sin 2  u  m 8 2 l 22I u  m u sin2  max 8 2 n EM - Ch6 31
  17. d) Độ định hướng D (Directivity) :  Tính định hướng là khả năng tập trung bức xạ vào 1 hướng và yếu đi ở những hướng khác.  Độ định hướng D là tỉ số của cường độ bức xạ max (umax) và cường độ bức xạ trung bình (utb) : u u = max{u} D max max u 1 2 tb u u.r2 sindd   tb 2 4r 00 4 umax 4 .u max D 2 u(sindd   ) Pbx 00 EM - Ch6 33
  18.  Ý nghĩa của độ định hướng D : 4 u u / r2 P . Ta có : max max r max D 2 Pbx P bx / 4 r P r tb u D max r max utb tb  Độ định hướng D cũng là tỉ số của mật độ công suất bức xạ cực đại và mật độ công suất bức xạ trung bình . EM - Ch6 35
  19.  VD 6.3.3: Tính độ định hướng Cường độ bức xạ chuẩn của anten cho bởi: a) u = sinθ.sin n o o 2 Với 0 < θ < 180 ; 0 <  < 180 . b) un = sinθ.sin  2 Bằng 0 ở các miền khác. c) un = sin θ.sin Xác định độ định hướng (không thứ nguyên và dB) ? a) Có unmax = 1 tại  = /2 ;  = /2 . θ (sinθ.sin )(sinθdd θ  ) ( cos  ) 00 0 2 0 4 D 4 6.02 (dB) EM - Ch6 37
  20.  VD 6.3.3: Tính độ định hướng (tt) Cường độ bức xạ chuẩn của anten cho bởi: a) u = sinθ.sin n o o 2 Với 0 < θ < 180 ; 0 <  < 180 . b) un = sinθ.sin  2 Bằng 0 ở các miền khác. c) un = sin θ.sin Xác định độ định hướng (không thứ nguyên và dB) ? c) Có unmax = 1 tại  = /2 ;  = /2 . 3 cos θ8 (sin3 θ.sin )dd θ  ( cosθ) .( cos  ) 00 0 330 43 D 4.71 6.73 (dB) 8/ 3 2 EM - Ch6 39
  21. e) Hiệu suất bức xạ : Anten phát RLoss Zn Rbx + - E jXanten Rloss: Điện trở tổn hao nhiệt.  Hiệu suất: PR ξ bx bx [%] PPRRbx loss bx loss  Độ lợi của anten : (Độ lợi của anten cũng thường G ξ.D dùng với đơn vị dB như D ) EM - Ch6 41
  22.  VD 6.3.5: Tính hiệu suất bức xạ (tt) b) Xác định hiệu suất bức xạ: 67 Điện trở bề mặt: R 2 .75.10 .4 .10 22,6.10 4  S 2.5,8.107 Điện trở nhiệt của anten: 4 R 0,0422,6.10 0,036  loss 2 .0,4.10 3 0,08 Hiệu suất bức xạ: ξ 69 [%] 0,08 0,036 EM - Ch6 43
  23.  Sức điện động cảm ứng: . Anten thu là anten thẳng: Sức điện động cảm ứng: E Soùng Có: u = ℓ (E.dl) z tôùi  E u = E. ℓ .cos ℓ y x . Anten thu là anten vòng: Sức điện động cảm ứng: d H Soùng Có : z u = - S (H.dS) tôùi dt  H dH y u = -.S.cos. dt x EM - Ch6 45