ch ng 4_-_b_i_gi_ng_anten-truy_n_s_ng

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


)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


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


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


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


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

ch ng 4_-_b_i_gi_ng_anten-truy_n_s_ng

Education