Upload
duy-quang-nguyen-ly
View
99
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Khoa Công Nghệ Điện Tử
BÀI GIẢNG
Giảng viên: Nguyễn Tấn Lộc
ANTEN-TRUYỀN SÓNG
2
Giới thiệu môn học
Số tiết: 30 tiết
Điểm tổng kết:20% ĐTB (Tiểu luận +thường kì)+ 30% điểm giữa kỳ + 50% điểm cuối kỳ
Điều kiện thi kết thúc môn: - Điểm giữa kỳ >=4 - Điểm tiểu luận >=4 - Vắng mặt <= 20% số tiết
3
Giáo trình và Tài liệu tham khảo: 1. Lê Tiến Thường-Trần Văn Sư ,Truyền sóng và Anten,
NXB Đại học Quốc Gia TPHCM –2010 2. Constantine A.Balanis, Antenna theory analysis
and design, John Wiley & Son.Inc.,1997 3. GS. TSKH Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật Anten,
NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007 4. David M. Pozar, Microwave Engineering, John
Wiley & Son.Inc, 1998
Giáo trình, tài liệu tham khảo
4
Giúp sinh viên: Nắm bắt được phương pháp tiếp cận để phân tích, thiết kế
một anten hiểu được các thông số đặc trưng cơ bản của anten Nguyên lý bức xạ của một anten cũng như là của một hệ
anten Hiểu được nguyên lí bức xạ của các hệ thông anten; anten
Dipole, Yagi, anten xoắn Helix, … Nắm bắt được nguyên lí truyền dẫn sóng trong các môi
trường: không gian tự do, đường dây dẫn, ống dẫn sóng và sợi quang
Mục tiêu – Course Objective
5
CHƯƠNG 1: Lịch sử phát triển anten
CHƯƠNG 2: Mô tả các đặc tính bức xạ của anten
CHƯƠNG 3: Lý thuyết anten
CHƯƠNG 4: Hệ thống bức xạ
CHƯƠNG 5: Các loại anten
CHƯƠNG 6: Truyền sóng vô tuyến
CHƯƠNG 7: Truyền sóng trong đường dây dẫn
CHƯƠNG 8: Truyền sóng trong ống dẫn sóng
Nội dung - Outline
6
Hệ thống các bức xạ tử thẳng cách đều
Hệ thống các bức xạ tử broadside và endfire
Góc nửa công suất và góc bức xạ không đầu tiên
Phép nhân đồ thị
Các hệ thống bức xạ phẳng
Chương 4 – Hệ thống bức xạ
7
Khái niệm dãy Anten Trong thực tế chúng ta cần độ định hướng cao nhằm thực
hiện liên lạc ở khoảng cách lớn. Có hai cách thực hiện chính:
– Tăng kích thước điện của Anten
– Phối hợp nhiều Anten với nhau (Antenna array)
Phương pháp phối hợp nhiều Anten với nhau theo một cấu trúc vật lý nào đó gọi là Antenna array (tạm dịch dãy Anten hay dàn Anten)
Hệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
8
Khái niệm dãy Anten – Minh hoạHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Anten Dipole Hertz
m/VsinRekjIE
jkRm
4
m/AEH
9
Khái niệm dãy Anten
Array 2 phần tử dipole chiều dài hữu hạn đặt ngang theo trục Oz (trong mặt phẳng z0y)
Hệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
10
Khái niệm dãy AntenHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
22
2
11
2
21 4cosr
ecosrekIjiEEE
krjkrjm
Với:- β là sự khác pha giữa các elements - Giả sử biên độ là giống nhau- Giả sử điểm khảo sát là vùng xa
Khi xeùt pha: 21
;cosdrr 21
;cosdrr 22
11
Khái niệm dãy AntenHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Tröôøng böùc xaï ôû vuøng xa laø:
Khi xeùt bieân ñoä: rrr 21
2/cos2/cos.cos..4..
kdj
eerekIjiE kdj
krjm
22
2
11
2
21 4cosr
ecosrekIjiEEE
krjkrjm
cos21cos2.cos.
.4.. kdrekIjiE
krjm
12
Khái niệm dãy AntenHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
cos21cos2cos
.4kd
rekIjiE
jkrm
Tröôøng xa cuûa 1 dipoleArray Factor (Heä soá daøn)
cos21cos2 kdAF
Tröôøng vuøng xa cuûa moät daøn anten goàm nhöõng phaàn töû ñoàng nhaát baèng tröôøng cuûa moät phaàn töû anten thaønh phaàn ñaët taïi ñieåm tham chieáu (thöôøng laø goác toaï ñoä) vaø heä soá daøn anten (AF) cuûa daøn anten ñoù.
13
Khái niệm dãy AntenHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Nếu dàn Anten được đặt dọc theo các trục Ox, Oy ta có thể dùng công thức chuyển đổi giữa toạ độ Decard và toạ độ cầu.
Ar = Ax.sinθ.cosφ + Ay.sinθ.sinφ + Az.cosθ
Aθ = Ax.cosθ.cosφ + Ay.cosθ.sinφ - Az.sinθ
Aφ = -Ax.sinφ + Ay.cosφ
Ax = Ar.sinθ.cosφ + Aθ.cosθ.cosφ - Aφ.sinθ
Ay = Ar.sinθ.sinφ + Aθ.cosθ.sinφ + Aφ.cosθ
Az = Ar.cosφ - Aθ.sinφ
14
Khái niệm dãy AntenHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Caáu truùc hình hoïc cuûa toaøn array Thoâng tin veà töøng phaàn töû trong array Khoaûng caùch giöõa caùc phaàn töû trong array Bieân ñoä kích thích ban ñaàu cuûa caùc phaàn töû Pha ban ñaàu cuûa caùc phaàn töû
Khi tính toaùn Antenna Array, caùc thoâng soá caàn bieát ban ñaàu laø:
Caàn tính toaùn ñaëc tính cuûa array: Caáu truùc tröôøng ñieän töø Heä soá daøn (Array factor) Ñoà thò ñònh höôùng, BWFN, HPBW, ñoä
ñònh höôùng, coâng suaát böùc xaï, …
15
LESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Các phần tử được bố trí dọc theo một đường thẳng theo trục Oz. Nếu các toạ độ được ký hiệu bởi Zi thì giá trị hệ số dàn cho bởi
1
0
1
0
cos),(N
i
ii
N
i
ijkdi CIeIAF
1
0
cos),(N
i
jkzi
ieIAF
cosjkdeC Với
1
01
1
0
),(N
iiN
N
i
ii CCICIAF
Người ta chứng minh được:
AF với N phần tử có thể biểu diễn như đa thức bậc N-1 của biến phức C và Ci là zero thứ i của đa thức
16
LESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
1
01),(N
iiN CCIAF
Muốn xây dựng hệ số dàn với các Nulls trong các chiều cụ thể θi (i=1, …, N-1)=> chọn zero cho đa thức trên
AF sẽ bằng 0 tại mỗi góc θi (i=1, …, N-1)
1,...,1cos NieC ijkdi
17
LESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Ví dụ1: Xây dựng một hệ số dàn với 3 phần tử và các Nulls theo chiều θ=π/4 và θ=π/2. Cho biết khoảng cách giữa các phần tử là d=λ/4. Biết:
Tìm các Ii
1
01),(N
iiN CCIAF
18
LESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Giải:
1
01
1
0
),(N
iiN
N
i
ii CCICIAF
)4/cos(1
0 jkeC )2/cos(2
0 jkeC 121 II N
)2/cos()4/cos(1
01 ..1),( jkdjkdN
iiN eCeCCCIAF
2)2/cos()4/cos()2/cos()4/cos( .. CCeee jkdjkdjkd
1.
2
)2/cos()4/cos(1
)2/cos()4/cos(0
IeeI
eIjkdjkd
jkd
Suy ra
Chọn
19
LESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Ví dụ 2: Cho Anten dãy gồm 2 phần tử như lý thuyết. Tìm Nulls của vector trường tổng biết d=λ/4 và:
β = 0
β = Л/2
β = -Л/2
20
LESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Với β = 0:
Nulls xảy ra khi Enorm = 0
o Cos θ = 0
o Cos [1/2(kd.cos θ+β)] =0
Kết luận Nulls chỉ xảy ra khi θ = 90o
cos21cos2cos
.4kd
rekIjiE
jkrm
cos21cos2.cos kdEnorm
Trường
Chuẩn hoá
21
LESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Với β = π/2: Chuẩn hoá
Nulls xảy ra khi Enorm = 0
o Cos θ = 0
o Cos [π/4.(cos θ+1] =0
Kết luận Nulls chỉ xảy ra khi θ = 90o và θ = 0o
cos21cos2.cos kdEnorm
1cos4
cos2.cos normE
22
LESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Với β = -π/2: Tương tự
23
LUEESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Moãi phaàn töû ñaúng höôùng
Bieân ñoä doøng ñieän kích thích ñeàu
Ñoàng pha = 0
Heä thoáng tuyeán tính LUEESA – Linear Uniformaly Excited Equally Spaced Array laø daõy anten caùch ñeàu, kích thích bôûi doøng ñieän gioáng nhau veà pha vaø bieân ñoä
24
LCPESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Moãi phaàn töû ñaúng höôùng
Bieân ñoä doøng ñieän kích thích ñeàu
Leäch pha luõy tieán (doøng ñieän phaàn töû thöù i leäch pha so vôùi phaàn töû thöù (i+1) moät goùc )
Heä thoáng tuyeán tính LCPESA – Linear Cophasal Equally Spaced Array laø daõy anten caùch ñeàu, kích thích bôûi doøng ñieän gioáng nhau veà bieân ñoä vaø leäch pha ñeàu nhau
25
LCPESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
)coskd)(N(j)coskd(j)coskd(j e...eeAF 121
Array factor cuûa daøn tuyeán tính leäch pha ñeàu nhau LCPESA
N
n)coskd)(n(jeAF
1
1
Ñaët goùc lệch pha coskd
N
n)n(jeAF
1
1
Coù theå ñieàu khieån AF baèng caùch thay ñoåi !
ta coù
26
LCPESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Coù theå bieán ñoåi AF veà daïng:
21221
sin
NsineAF /Nj
Neáu ñieåm tham chieáu laø ñieåm ñoái xöùng veà maët vaät lyù cuûa array
21sin
2sin N
AF
Vaäy heä soá daøn chuaån hoùa laø: sin
1 21sin2
n
N
AFN
27
LCPESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Xaùc ñònh nhöõng ñieåm NULL cuûa array:
02
Nsin
2n
N n
Nn
darccosn2
2 n=1,2,3… N …
Khi n = 0, N, 2N, 3N, … mN … AF ñaït cöïc ñaïi. cos 2
mkd m
mdarccosm 22
m = 0,1,2,3…
2n
nN
Trong thöïc teá chuû yeáu xeùt goùc leäch pha ψ bieán ñoåi töø 0 ñeán 2π.
28
LCPESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Xeùt vôùi goùc leäch pha ψ bieán ñoåi töø 0 ñeán 2π
02
Nsin
Nn
darccosn2
2
n=1,2,3… N-1
n ≠ 0,N
Khi n = 0, N thì AF ñaït cöïc ñaïi.
cos 2m
kd
2n
nN
cos 0m
kd
2n
N n
29
LCPESAHệ thống bức xạ tử thẳng cách đều
Giaù trò cöïc ñaïi lôùn nhaát chæ ñaït ñöôïc ôû m = 0, khi ñoù:
darccosm 2
391,1cos22
h
kdNN
Ndh782,2
2arccos
Ñieåm nöûa coâng suaát (3dB) cuûa heä soá daøn anten ñaït ñöôïc khi:
Ndh782,2
2arcsin
2
Khi d>>:
Ndh782.2
22