Bài giảng Trường điện từ - Chương 6: Nguyên lý bức xạ điện từ và anten - Lecture 13: Cơ bản về Anten & các thông số đặc trưng - Trần Quang Việt

Nội dung text: Bài giảng Trường điện từ - Chương 6: Nguyên lý bức xạ điện từ và anten - Lecture 13: Cơ bản về Anten & các thông số đặc trưng - Trần Quang Việt

1. Chương 6 – Nguyên lý bức xạ điện từ và anten Lecture-12: Cơ bản về Anten & các thông số đặc trưng [10. Understand the principles of antennas. Calculate the radiation fields (electric & magnetic), radiated power, radiation resistance, radiation intensity function and directivity of Hertzian antenna. ]  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 Chương 6 – Nguyên lý bức xạ điện từ và anten 6.1. Giới thiệu 6.2. Nguyên tố Anten thẳng (dipole Hetzian) 6.3. Áp dụng cho anten ½ sóng 6.4. Tính định hướng & các thông số đặc trưng của anten  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 1
2. 6.1. Giới thiệu  Một số anten thực tế:  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 6.1. Giới thiệu  Tính trường bức xạ: . Tính thế vectơ dùng biểu thức thế chậm:   J(t-R/v)dV A(t)= 4 V R anten Trên thực tế V là dòng dây và nguồn xem xét là điều hòa:  R -j     v  -jR  Je dV   Ie d A= V A= 4 R 4 L R Với:  /v 2 /  (Hệ số pha)  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 3
3. 6.2.1. Tính trường điện từ      Ie-j R d  Tính thế vectơ dùng: A= 4 L R   -j R   I/ 2 e dz' az A= / 2 4 / 2 R     I  -jr A e a z 4 r  d dz' a z  / 2  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 6.2.1. Tính trường điện từ     I  -jr A e a z 4 r Biểu diễn thế vectơ trong hệ tọa độ cầu: a z az a r a z a r a a z a  a  a z a  ar   az cos a r sin  a r a a     I j r A ecos ar sin  a 4 r  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 5
4. 6.2.2. Trường điện từ trong miền gần    3 jI β j 1 -jβr E =- cosθ 2 2 + 3 3 e a r 2πωε β r β r  3 jI β 1 j 1 -jβr - sinθ - +2 2 + 3 3 e aθ 4πωε βr β r β r     jI cosθ jI  sinθ E - ar - a θ 2πωεr3 4πωεr 3  -jI  = (2cosθar +sinθaθ ) 4πωεr3  Im E = sin(ωt+ )(2cosθar +sinθaθ ) 4πωεr3  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 6.2.2. Trường điện từ trong miền gần  Mật độ công suất điện từ trong miền gần:  Im sinθ H = cos ωt+ a  4πr 2  Im E = sin(ωt+ )(2cosθar +sinθaθ ) 4πωεr3    2 2  Im 2 P=E×H= sin(2ωt+2 ) sin θar -sin2θa θ 32π2 ωεr 5 Ví dụ tại điểm trong miền gần có = /2:  P(r,2 , )=P0 sin(2ωt+2  )a r Công suất điện từ lan truyền có tính chất dao động; miền gần được gọi là miền cảm ứng đóng tạo thành phần kháng trong trở kháng tương đương của anten (ZA)  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 7
5. 6.2.3. Trường điện từ trong miền xa  Mật độ công suất trong miền xa:  Im π H = sinθcos ωt- r+  + a  2λr 2  η Im π E= sinθcos ωt- r+  + a θ 2λr 2    2 2 η Im 2 2 P=E×H= sin θcos ωt- r+  +π/2 a r 4λ2 r 2 Công suất điện từ luôn truyền từ nguồn ra miền xa với hướng truyền là +r ; miền xa được gọi là miền bức xạ. Miền bức xạ đóng góp vào phần thực của trở kháng tương của anten (ZA)  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 6.2.3. Trường điện từ trong miền xa  Một số tính chất đối với trường trong miền bức xạ: . Sóng trong miền xa là sóng TEM . Biên độ sóng suy giảm theo quy luật 1/r . Mặt đồng pha: t+r++ /2=cost r=const sóng cầu (Thực tế gần đúng là sóng phẳng!!!) . Vận tốc pha bằng vận tốc truyền sóng và được tính giống sđtpđs trong điện môi lý tưởng . E & H cùng pha trở sóng  được tính giống như sđtpđs trong điện môi lý tưởng . Tính định hướng: biên độ sóng phụ thuộc vào  độ lớn của sóng không đều theo mọi hướng, max khi =900, min=0 khi =0 hoặc 1800  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 9
6. 6.3. Áp dụng cho anten ½ sóng  Xét anten ½ sóng với phân bố của biên độ dòng như h.vẽ L/2 I0 cos z  L 2 i(t)=I cosz cos  t for (-L/2<z<L/2) L/2 0  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 6.3. Áp dụng cho anten ½ sóng  Xét trường ở miền xa và dùng kết quả của dipole Hetzian: Z a  L r' 4 2 ' a dz' a ' z' r ~ 0 z’cos    L jηI0 cos( z ') dz ' -j r' d E sinθ'e aθ' 4 2 2λr'   jI0 cos( z ') dz ' -j r' d H sinθ'e a 2λr'  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 11
7. 6.4. Tính định hướng & các thông số đặc trưng của anten 6.4.1. Cường độ bức xạ và đồ thị bức xạ 6.4.2. Độ lợi định hướng và độ định hướng 6.4.3. Hiệu suất, độ lợi và HPBW (Haft Power Beamwidth) 6.4.4. Một ví dụ đơn giản về sử dụng thông số đặc trưng  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 6.4.1. Cường độ bức xạ và đồ thị bức xạ  Góc đặc (solid angle) : là góc nhìn từ gốc tọa độ giới hạn bởi mặt S nằm trên mặt cầu bán kính r Yếu tố góc đặc là góc nhìn từ góc tọa độ giới hạn bởi yếu tố dS nằm trên mặt cầu bán kính r dS Hướng khảo sát dΩ= =sinθdθd (Sr ) r2 Ví dụ: Tính góc đặc giới hạn bởi mặt cầu bán kính r 2 Ω= d sind  d  =4 ( Sr ) Ω 0 0  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 13
8. 6.4.2. Độ lợi định hướng và độ định hướng  Anten đẳng hướng (isotropic anten): là anten lý tưởng có cường độ bức xạ rãi đều theo mọi hướng, ui=const, khi đó: 2 P= u sin d  d  4 u ( W ) bxi 0 0 i i  Anten khảo sát có cường độ bức xạ u(,), khi đó: 2 P u( ,  )sin  d  d  bx 0 0  Độ lợi định hướng: độ lợi về cường độ bức xạ theo một hướng nào đó của anten khảo sát so với anten đẳng hướng khi cả 2 phát ra cùng 1 công suất bức xạ: Pbxi=Pbx u(,)  4u(,)   4u(,)   D( ,  )= 2 ui Pbx u( ,  )sin  d  d  0 0  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 6.4.2. Độ lợi định hướng và độ định hướng  Ví dụ: Nguyên tố anten thẳng có: 22 2 2  Im  2 Pbx  I m ;u(  ,  ) u(  ,  )= sin  3  8  u( ,  ) 4 u(  ,  ) D( ,  )= =1.5sin2  ui P bx 2 u( ,  )=1.5sin  .ui Nhận xét: cùng phát ra một lượng công suất bức xạ, nếu dùng anten đẳng hướng thì hướng nào cũng đều nhận được cường độ là ui, còn nếu phát bằng anten khảo sát theo các hướng khác nhau sẽ có cường độ khác nhau là một số nguyên lần ui. Ví dụ theo hướng = /2 thì cường độ lớn nhất bằng 1,5 lần ui  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 15
9. 6.4.3. Hiệu suất, độ lợi và HPBW (Haft Power Beamwidth )  Độ lợi của anten: là độ lợi theo một hướng nào đó về tận dụng công suất nguồn giữa anten khảo sát và anten đẳng hướng lý tưởng để phát ra một cường độ bức xạ như nhau theo hướng đó: ui=u(,) PSi P 4 u 4 u(  ,  ) G( ,  ) bxi =ξ i =ξ ξ.D(  ,  ) PS P bx / ξ P bx P bx G( ,  )dB 10log G (  ,  ) ( dB )  Độ lợi chuẩn hóa: G(θ, ) ξ.D(  ,  ) u(  ,  ) g(,)(  u θ,  ) Max[G(θ, )] Max[ξ.D(  ,  )] Max[u(  ,  )] n  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 6.4.3. Hiệu suất, độ lợi và HPBW (Haft Power Beamwidth )  Độ rộng góc nữa công suất (HPBW or 3-dB): góc mà có độ lợi công suất chuẩn hóa lớn hơn hoặc bằng ½  Ví dụ: tìm HPBW của nguyên tố anten thẳng trong mặt =0 2 Vẽ g()=un()=sin  trong mp =0: Dipole Hetzian; HPBW =0 / 4 3 / 4 HPBW=π/2  TranTrần Quang ViệtViet – BMCSFaculty – ofKhoa EEE Điện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM 1/12-13 17