Tr­ê ng ®iÖn tõ vµ Kü thuËt ante n

Tµi liÖu tham kh¶o:Tr­êng ®iÖn tõ vµ truyÒn sãng - Phan Anh - NXB §HQGHN Lý thuyÕt vµ kÜ thuËt anten – Gs Ts Phan Anh – NXB khoa häc kü thuËt. Tr­êng vµ sãng ®iÖn tõ – Phan Anh (dÞch) – NXB §H vµ TCCN

né i dung

Ch­¬ng I. Sãng ®iÖn tõ vµ truyÒn s ãng

Ch­¬ng II. Lý thuyÕt vµ kü thuËt ante n

ch­¬ng III. C¸c lo¹i ante n

Ch­¬ng I. Sãng ®iÖn tõ vµ truyÒn sãng.

Giíi thiÖu - Tr­êng ®iÖn tõ lµ mét d¹ng ®Æc biÖt cña vËt chÊt. Nã tån t¹i d­íi d¹ng sãng hoÆc h¹t, cã t¸c dông t­¬ng hç víi c¸c h¹t mang ®iÖn. Trong ch©n kh«ng tr­êng ®iÖn tõ truyÒn víi vËn tèc ¸nh s¸ng (3.108 m/s)

- N¨ng l­îng cña tr­êng ®iÖn tõ cã thÓ

biÕn ®æi tõ d¹ng nµy sang d¹ng kh¸c nh­ ng lu«n b¶o toµn

• Theo ®Þnh luËt Einstein n¨ng l­îng vµ khèi

l­îng tr­êng ®iÖn tõ cã quan hÖ:

W= m.c2 (J ) W: n¨ng l­îng; m: Khèi l­îng (kg); c: VËn tèc ¸nh s¸ng (m/s).

• Ph­¬ng tr×nh Maxwell thø nhÊt:

HÖ ph­¬ng tr×nh Maxwe ll

=

=

+

e

J

J

rotH

T

d

(cid:0)

E t

+

=

J

J

J

d

T

dich

dJ

Trong ®ã: : C­êng ®é tõ tr­êng (A/m); H : MËt ®é dßng ®iÖn dÉn (A/m2); Es= E : C­êng ®é ®iÖn tr­êng (V/m); e : H»ng sè ®iÖn m«i (F/m); s : §iÖn dÉn suÊt (S/m);

(cid:0)

ý ng hÜa ph­¬ng tr×nh Maxwe ll thø nhÊt

• Tõ tr­êng cã thÓ ®­îc g©y ra kh«ng chØ bëi dßng ®iÖn dÉn mµ do c¶ dßng ®iÖn dÞch, nghÜa lµ do sù biÕn ®æi cña c­êng ®é ®iÖn tr­êng theo thêi gian.

• T¸c dông cña dßng ®iÖn dÉn vµ dßng

®iÖn dÞch lµ nh­ nhau trong viÖc t¹o ra tõ tr­êng.

• Ph­¬ng tr×nh Maxwell thø hai:

HÖ ph­¬ng tr×nh Maxwe ll

= -

m

rotE

(cid:0)

H t

m

Trong ®ã: : §é tõ thÈm cña m«i tr­êng (A/m);

(cid:0)

ý ng hÜa ph­¬ng tr×nh Maxwe ll thø hai

• Tõ tr­êng biÕn ®æi theo thêi gian sÏ t¹o ra

®iÖn tr­êng.

- Ph­¬ng tr×nh Maxwell thø ba:

e = div E r r : MËt ®é ®iÖn tÝch - Ph­¬ng tr×nh Maxwell thø t­:

=

div Hm

0

ý nghÜa: Lµ hai ph­¬ng tr×nh x¸c ®Þnh mËt ®é nguån

cña ®iÖn tr­êng vµ tõ tr­êng

HÖ ph­¬ng tr×nh Maxwe ll

• HÖ h­¬ng tr×nh Maxwe ll ®Çy ®ñ

=

+

e

J

rotH

d

(cid:0)

E t

(cid:0)

= -

m

rotE

(cid:0)

H t

e = div E r

=

div Hm

0

(cid:0)

KÕt luËn

• Cã biÕn thiªn cña ®iÖn tr­êng dÉn ®Õn

cã tõ tr­êng biÕn thiªn vµ ng­îc l¹i.

• Dßng ®iÖn dÉn vµ dßng ®iÖn dÞch cã vai trß nh­ nhau trong viÖc sinh ra tõ tr­ êng.

• Trong ch©n kh«ng vÉn tån t¹i ®iÖn tõ tr­

êng.

§Þnh lý Poynting

§©y lµ ®Þnh lý vÒ sù b¶o toµn n¨ng l­îng trong tr­êng ®iÖn

tõ.

Ph¸t biÓu: N¨ng l­îng tr­êng ®iÖn tõ ch¶y qua mét ®¬n vÞ ®iÖn tÝch trong mét ®¬n vÞ thêi gian ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

Q

dSp

- = + (cid:0)

dW dt

S

Q

J E dV .

.

= (cid:0)

V

Trong ®ã: : C«ng suÊt tæn hao d­íi d¹ng nhiÖt cña

dßng

p = (cid:0)

E H

®iÖn trong thÓ tÝch V. S: DiÖn tÝch mÆt giíi h¹n bëi ®­êng vßng

d©y dÉn l.

: vecto mËt ®é th«ng l­îng n¨ng l­îng ch¶y qua mÆt S trong ®¬n vÞ thêi gian (vect¬

poynting)

§Þnh lý Poynting

ChiÒu cña vect¬ poynting lµ chiÒu dÞch thuËn theo E H quy t¾c vÆn nót chai tõ sang (hay quy t¾c bµn tay tr¸i) víi gãc quay nhá nhÊt.

E

p

H

N¨ng l­îng tr­êng ®iÖn tõ ch¶y qua mét ®¬n vÞ thêi

.E H

gian ®­îc x¸c ®Þnh: p = ; W/m2.

1.1. Sãng ®iÖn tõ

1.1.1. S ãng ®iÖn tõ ph¼ng

H

E

a. Kh¸i niÖm: Sãng ®iÖn tõ t¹o ra c¸c vect¬ ®iÖn vµ tõ cã biªn ®é vµ pha gièng nhau vµ hîp thµnh c¸c mÆt ®ång pha vµ ®ång biªn lµ nh÷ng mÆt ph¼ng th× ®­îc gäi lµ sãng ®iÖn tõ ph¼ng.

b. M«i tr­ê ng truyÒn s ãng : - §iÖn m«i lý t­ëng (®ång nhÊt kh«ng tæn hao) - §ång nhÊt, cã tæn hao - B¸n dÉn. NhËn xÐt: Sãng ®iÖn tõ kh«ng lan truyÒn trong m«i tr­êng kim lo¹i (Fe,

Cu…)

c . TÝnh c hÊt: - Ph¶n x¹, khóc x¹ khi sãng truyÒn qua hai m«i tr­êng cã chiÕt suÊt

kh¸c nhau.

- NhiÔu x¹ khi b­íc sãng xÊp xØ víi kÝch th­íc vËt c¶n. - T¸n x¹ khi b­íc sãng nhá h¬n vËt c¶n.

1.1. Sãng ®iÖn tõ

§Þnh nghÜa

1.1.2. Bø c x¹ s ãng ®iÖn tõ a. Qu¸ tr×nh truyÒn tr­êng ®iÖn tõ tõ nguån vµo kh«ng

gian gäi lµ qu¸ tr×nh bøc x¹ tr­êng ®iÖn tõ.

Bøc x¹ tr­êng ®iÖn tõ chØ x¶y ra víi nguån biÕn thiªn. b. Bøc x¹ cña dipol ®iÖn - Tr­êng vïng gÇn. ë khu gÇn th× c¸c thµnh phÇn ®iÖn tr­êng vµ tõ tr­êng lÖch pha nhau 900 theo thêi gian. Do ®ã vecto poynting trung b×nh sÏ cã gi¸ trÞ b»ng kh«ng. Chøng tá n¨ng l­îng cña tr­êng vïng gÇn cã tÝnh dao ®éng. Trong mét phÇn t­ chu kú ®Çu th× n¨ng l­îng nµy dÞch chuyÓn tõ nguån tr­êng ra kh«ng gian xung quanh vµ trong mét phÇn t­ chu kú tiÕp theo l¹i dÞch chuyÓn trë l¹i gièng nh­ sù trao ®æi n¨ng l­îng trong mét m¹ch dao ®éng. Tr­êng khu gÇn cßn ®­îc gäi lµ tr­ê ng c ¶m ø ng vµ khu gÇn ®­îc gäi lµ khu c ¶m ø ng .

1.1. Sãng ®iÖn tõ

- Tr­êng vïng xa §iÖn tr­êng vµ tõ tr­êng ë vïng xa lu«n

lu«n ®ång pha nhau. V× thÕ gi¸ trÞ trung b×nh cña vecto poynting lu«n kh¸c kh«ng vµ n¨ng l­îng bøc x¹ ®­îc dÞch chuyÓn tõ nguån vµo kh«ng gian xung quanh. Tr­êng ®iÖn tõ bøc x¹ ë vïng xa cã d¹ng sãng cÇu, cã vecto ®iÖn vµ tõ vu«ng gãc víi h­ íng truyÒn lan. Sãng ®iÖn tõ trong tr­êng hîp nµy ®­îc gäi lµ sãng ®iÖn tõ ngang

1.1. Sãng ®iÖn tõ

1.1.3. S ãng ®iÖn tõ ®Þnh h­íng - Kh¸i niÖm: Sãng ®iÖn tõ ®­îc lan truyÒn theo mét h­íng x¸c ®Þnh, tr¸nh sù ph©n t¸n n¨ng l­îng theo c¸c h­íng kh¸c khi truyÒn th«ng tin gi÷a c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi. ®­îc gäi lµ sãng ®iÖn tõ ®Þnh h­íng.

- C¸c lo¹i hÖ ®Þnh h­íng: + D©y song hµnh: Gåm hai d©y dÉn ®Ó song song trong mét vá bäc. Khi ®ã sãng ®iÖn tõ ®­îc ®Þnh h­íng bëi hÖ thèng nµy truyÒn lan ë kh«ng gian xung quanh d©y dÉn.

D©y song hµnh thÝch hîp sö dông ®èi víi d¶i sãng cã b­íc sãng lín

(>1m).

D©y song hµnh ®­îc bäc kim cã hiÖu qu¶ truyÒn dÉn cao h¬n nhiÒu

s¬ víi d©y kh«ng bäc.

+ D©y ®ång trôc: Gåm mét d©y dÉn bäc trong vá bäc. Sãng ®iÖn tõ truyÒn trong

kh«ng gian gi÷a c¸c mÆt cña d©y dÉn trong vµ ngoµi.

D©y ®ång trôc cã hiÖu qu¶ truyÒn dÉn cao, cã cÊu tróc ®¬n gi¶n. + èng dÉn sãng: Lµ kh«ng gian®­îc bao bäc bëi vá kim lo¹i khi kh«ng cã d©y dÉn bªn

trong. Sãng ®iÖn tõ ®­îc lan truyÒn trong kh«ng gian ®ã.

1.1. Sãng ®iÖn tõ

C¸c lo¹i hÖ ®Þnh h­íng

1.2. TruyÒn s ãng

1.2.1. C¸c vÊn ®Ò c hung vÒ truyÒn s ãng . Kh¶o s¸t vÒ sù truyÒn lan tù do cña sãng ®iÖn tõ ë d¶i

v« tuyÕn ®iÖn.

Vai trß th«ng tin, th«ng tin v« tuyÕn trong x· héi hiÖn ®¹i. Nhê c¸c sãng nµy mµ cã thÓ thiÕt lËp c¸c kªnh th«ng tin

v« tuyÕn víi cù ly th«ng tin rÊt lín.

Mét kªnh th«ng tin th­êng gåm c¸c thiÕt bÞ thu - ph¸t ®Æt ë ®Çu cuèi ®­êng truyÒn vµ tin tøc ®­îc mang ®i nhê sãng ®iÖn tõ lan truyÒn trong m«i tr­êng vËt lý trung gian gäi lµ m«i tr­êng truyÒn sãng.

§Ó ®¶m b¶o còng nh­ t¨ng chÊt l­îng kªnh th«ng tin v«

tuyÕn chóng ta kh«ng chØ quan t©m ®Õn tÝnh n¨ng, chÊt l­ îng cña thiÕt bÞ ®Çu cuèimµ cßn ph¶i xÐt ®Õn m«i tr­êng truyÒn sãng, lùa chän dóng ®¾n tÇn sè c«ng t¸c còng nh­ chän ph­¬ng thøc truyÒn sãng hîp lý

1.2. TruyÒn s ãng

- ¶nh h­ëng cña m«i tr­êng ®Õn truyÒn sãng M«i tr­êng cã ¶nh h­ëng rÊt lín ®Õn truyÒn

sãng vµ g©y ra c¸c hiÖn t­îng:

+ Suy hao sãng + Thay ®æi h­íng vµ vËn tèc truyÒn sãng + Lµm mÐo tÝn hiÖu - Ph©n lo¹i sãng: Cã hai c¸ch ph©n lo¹i: + Theo b­íc sãng: Sãng cùc dµi, sãng dµi, sãng

trung, sãng ng¾n,..

+ Theo ph­¬ng thøc truyÒn lan: Sãng trùc tiÕp,

sãng ®Êt, sãng ®èi l­u, sãng ®iÖn ly.

1.2. TruyÒn s ãng

1.2.1. TruyÒn s ãng ®Êt • Kh¸i niÖm : Lµ sãng VT§ ®­îc truyÒn ë gÇn mÆt

®Êt theo ®­êng th¼ng hoÆc bÞ ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt hoÆc bÞ uèn theo ®é cong mÆt ®Êt do hiÖn t­îng nhiÔu x¹.

HiÖn t­îng nhiÔu x¹ lµ hiÖn t­îng quü ®¹o tia sãng bÞ uèn cong quanh vËt c¶n trªn ®­êng truyÒn.

e

s

• Kh¸i qu¸t chung Sãng trong tr­êng hîp nµy bÞ ¶nh h­ëng bëi ®Êt mµ cô thÓ lµ bÞ ¶nh h­ëng cña chÊt ®Êt vµ ®Þa h×nh. V× thÕ biÕt ®­îc c¸c th«ng sè ®Êt ( h»ng sè ®iÖn m«i , ®iÖn dÉn suÊt,…) lµ rÊt quan träng.

Gi¶i mét bµi to¸n tæng qu¸t vÒ sãng ®Êt víi nhiÒu biÕn sè nh­ vËy rÊt lµ khã. Ng­ êi ta sö dông mét biÖn ph¸p trong thùc tÕ ®ã lµ gi¶i c¸c bµi to¸n riªng víi c¸c gi¶ thiÕt riªng lý t­ëng h¬n:

+ Thay thÕ ®Êt thùc låi lâm b»ng mÆt ®Êt b»ng

ph¼ng t­ëng t­îng.

+ Bá qua sù biÕn ®æi liªn tôc, tõ tõ cña chÊt ®Êt trªn ®­êng truyÒn. Xem nh­ tham sè ®Êt biÕn ®æi mét c¸ch ®ét ngét khi qua c¸c vïng ®Êt kh¸c nhau. + §èi víi mÆt ®Êt thùc th­êng cµng xuèng s©u th× ®é dÉn ®iÖn cµng t¨ng do ®é Èm cao h¬n nh­ng trong tÝnh to¸n ta coi tham sè ®Êt kh«ng thay ®æi theo ®é s©u.

+ Thay ®Êt thùc tÕ b»ng ®Êt t­ëng t­îng cã th«ng

sè t­¬ng ®­¬ng.

+ ë cù ly gÇn (r nhá) coi ®Êt ph¼ng + ë cù ly xa (r lín) xem mÆt ®Êt lµ mÆt cÇu. + Trong truyÒn sãng ng­êi ta sö dông anten ®Ó thu

ph¸t tÝn hiÖu. Cã hai lo¹i anten ®­îc sö dông lµ:

Anten ®Æt thÊp. Anten ®Æt cao.

• Anten ®Æt cao TruyÒn sãng khi anten ®Æt cao th­êng chØ gÆp ®èi víi sãng ng¾n vµ cùc ng¾n. Anten ®Æt cao lµ anten cã bé phËn thu vµ ph¸t sãng ®iÖn tõ n»m ë cao so víi mÆt ®Êt (cì vµi b­íc sãng).

Anten ®Æt cao

Gi¶ thiÕt ®Æt ra: T¹i A cã anten ph¸t víi c«ng suÊt P1. HÖ sè ®Þnh h­

íng D1 ®Æt ë ®é cao h1.

T¹i B ë ®é cao h2 ®Æt anten thu. Sãng ®iÖn tõ cã b­íc sãng . r1 ®­êng ®i tõ A ®Õn B cña tia tíi trùc tiÕp. r2 ®­êng ®i tõ A ®Õn B cña tia ph¶n x¹. r: Kho¶ng c¸ch tõ anten ph¸t ®Õn anten thu q : Gãc nghiªng tia ph¶n x¹ Yªu cÇu: X¸c ®Þnh c­êng ®é tr­êng t¹i B.

Anten ®Æt cao

A

P1D1

1

r1

B

§­êng truyÒn cña sãng

h1

2

Kh«ng khÝ

h2

q

§Êt

§Ó gi¶i bµi to¸n vÒ truyÒn sãng ®Êt chóng ta cÇn t×m hiÓu bµi to¸n vÒ truyÒn sãng trong kh«ng gian tù do (c«ng thøc truyÒn sãng lý t­ëng) - Kh«ng gian tù do lµ m«t m«i tr­êng ®ång nhÊt, ®¼ng h­íng, kh«ng hÊp thô vµ cã hÖ sè ®iÖn m«i t­¬ng ®èi, ®iÖn dÉn suÊt b»ng 1. Bµi to¸n: T¹i A: cã nguån bøc x¹, c«ng suÊt ph¸t P 1, ®­îc ®Æt trong kh«ng gian tù do. X¸c ®Þnh c­êng ®é ®iÖn tõ tr­êng thu ®­îc t¹i B c¸ch A mét kho¶ng r.

p = 1

2

Lêi gi¶i: MËt ®é c«ng suÊt trung b×nh t¹i B lµ:

P 1 p 4 r

(V/m2)

1

p 1

2

P D = 1 p 4 r 60

P D 1 1

NÕu nguån bøc x¹ cã h­íng, hÖ sè ®Þnh h­íng D1 th×: mE

1 = r

(V/m2)

w

t kr

(

)

i

w

- = kr )

. cos(

= E

( )

t

.

Biªn ®é c­êng ®é ®iÖn tr­êng:

E e m

e t (V/m) k

m wp 2 = = l

v E= 2

m

E h

2

l

D

hS

2

2

p

2

2

p

D

.

P 2

1

h

2

p 2

P D D l 1 2 2 ) (4

2 r

60

.

P D F 1

mE

1

Gi¸ trÞ tøc thêi cña c­êng ®é ®iÖn tr­êng: = 4 : hÖ sè sãng l : Gi¸ trÞ hiÖu dông c­êng ®é ®iÖn tr­êng P D = = = 1 1 S . . p p 2 r 4 4 NÕu t¹i B cã anten thu víi diÖn tÝch hiÖu dông: Ta cã c«ng suÊt anten thu cÊp cho m¸y thu:

1 = r

2

2

=

l

(W)

F .

P 2

P D D 1 2 p 2 (4 )

2 r

Trong thùc tÕ, m«i tr­êng lµm suy hao sãng. §Æc tr­ng cho sù suy hao

=

H

p

E 120

lµ thõa sè lµm yÕu F. VËy c­êng ®é tr­êng trong m«i tr­êng thùc tÕ: C«ng suÊt cÊp cho m¸y thu thùc tÕ:

C«ng thøc liªn hÖ gi÷a c­êng ®é ®iÖn vµ tõ tr­êng:

-

(

)

60P D 1 1

-

Lê i g i¶i c ho bµi to ¸n truyÒn s ãng ®Êt C­êng ®é tr­êng t¹i B cña tia tíi trùc tiÕp ®­îc x¸c ®Þnh bëi e w t kr i E1 = Em1 . ; V/ m 1 Trong ®ã: 1 Em1 = V/m: Gi¸ trÞ hiÖu dông cña c­êng ®é tr­êng tia r 1

trùc tiÕp

i

(

ie f

e w

1

t kr ) C­êng ®é tr­êng t¹i B cña tia ph¶n x¹ ®­îc x¸c ®Þnh: 2 E2 = Em2. V/ m; 1 60P D Trong ®ã: 1 r 2 Em2= .R V/m Gi¸ trÞ hiÖu dông cña c­êng ®é tr­êng tia f

ph¶n x¹.

f

BE

2

R: hÖ sè ph¶n x¹. : gãc pha tia ph¶n x¹. = R vµ ®­îc x¸c ®Þnh dùa vµo c¸c ®å thÞ vÒ hÖ sè ph¶n x¹ (ë cuèi

+ E E 1 s¸ch) khi biÕt c¸c th«ng sè ®Êt (h»ng sè ®iÖn m«i, ®iÖn dÉn suÊt).

1 r

1 r 1

2

=

+

+

b

60

1

R

R 2 cos

BE

P D 1 1

1 r

1 = = r VËy c­êng ®é tr­êng t¹i B lµ: 2 Coi:

VËy ta cã c­êng ®é tr­êng t¹i B lµ:

-

Trong ®ã:

b

f= + D

k r

D = - =

r

2

r 2

r 1

h h 1 2 r

2

+

+

b

R 2 cos

R

1

§Æt F = : gäi lµ thõa sè lµm yÕu Trong nhiÒu tr­êng hîp do h1<

q

0

f (cid:0)

(cid:0)

r

60P D 1 1

2 r

sin

60PD 1 1

2 r

nghiªng cña tia ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt sÏ nhá ®Õn møc 180 cã thÓ xem R 1 vµ . Khi ®ã: p sin EB= (V/m); l Hay p 2 h h 1 2 EB = (V/m); l r VËy ®Ó truyÒn sãng tèt nhÊt ph¶i chän ®é cao

anten ph¸t, thu thÝch hîp ®Ó tia ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt kh«ng lµm yÕu tr­êng tia trùc tiÕp hoÆc t¨ng c­êng ®é tr­êng t¹i ®iÓm thu.

D

KÕt luËn: Nh­ vËy chóng ta ®· ®ù¬c t×m hiÓu vÒ ph­¬ng thøc truyÒn lan cña sãng ®Êt. Qua ®ã còng biÕt ®­îc ¶nh h­ëng cña ®Êt ®èi víi kh¶ n¨ng truyÒn sãng vµ còng hiÓu r»ng ph¶i chän ®é cao anten thÝch hîp míi thu ph¸t sãng tèt.

1.2.2. TruyÒn sãng trong tÇng ®èi l­ u - TÇng ®èi l­u lµ tÇng khÝ quyÓn n»m tõ s¸t mÆt ®Êt vµ lªn

®Õn ®é cao kho¶ng:

+ 8km ®Õn 10km ë c¸c vïng cùc. + 10km ®Õn 12km ë c¸c vïng «n ®íi. + 18km ®Õn 20km ë c¸c vïng xÝch ®¹o. - TÇng ®èi l­u cã thµnh phÇn chÊt khÝ kh«ng ®æi: 78% khÝ

nit¬, 21% oxi, vµ 1% lµ c¸c chÊt kh¸c.

- TÇng ®èi l­u cã ®Æc ®iÓm quan träng lµ mËt ®é chÊt khÝ

gi¶m khi ®é cao t¨ng

- TÇng ®èi l­u cã chiÕt suÊt biÕn ®æi ®Òu theo ®é cao. Khi mét tia sãng truyÒn trong tÇng ®èi l­u mµ kh«ng song song víi ph­¬ng ngang th× nã sÏ bÞ khóc x¹ liªn tôc. Nh­ vËy tia sãng sÏ bÞ uèn cong chø kh«ng cßn truyÒn theo quü ®¹o th¼ng. §©y chÝnh lµ hiÖn t­îng khóc x¹ khÝ quy Ón. - TÇng ®èi l­u chØ ¶nh h­ëng ®Õn sãng cùc ng¾n vµ sãng

VT§ truyÒn ë cù li xa.

1.2.3. TruyÒn sãng trªn tÇng ®iÖn li - TÇng ®iÖn ly lµ tÇng khÝ quyÓn bÞ ion ho¸ n»m ë ®é

cao 60 ®Õn 600km.

Nguyªn nh©n g©y ion ho¸ ë tÇng ®iÖn li: Do t¸c dông cña bøc x¹ mÆt trêi dÉn ®Õn x¶y ra sù

ph©n li c¸c ph©n tö oxi, nit¬ thµnh c¸c nguyªn tö. MÆt kh¸c còng do nh÷ng nguyªn nh©n kh¸c nh­ lµ: bøc x¹ cña c¸c v× sao, c¸c tia vò trô, c¸c thiªn th¹ch khi vµo khÝ quyÓn tr¸i ®Êt bÞ ch¸y.

- D­íi t¸c dông cña c¸c nguån ion ho¸ vµ do cÊu t¹o cña c¸c chÊt khÝ nªn trong khÝ quyÓn xuÊt hiÖn mét sè miÒn ®¹t cùc trÞ ion ho¸ (hay cßn gäi lµ c¸c líp), C¸c líp nµy ¶nh h­ëng trùc tiÕp ®Õn kh¶ n¨ng truyÒn sãng.

- Trong m«i tr­êng ion ho¸, tÝn hiÖu ®­îc truyÒn ®i víi

vËn tèc nhá h¬n vËn tèc ¸nh s¸ng. Sau khi truyÒn qua m«i tr­êng nµy tÝn hiÖu sÏ bÞ mÐo d¹ng.

Ch­¬ng II. Lý thuyÕt vµ kü thuËt anten

2.1. Lý thuyÕt anten 2.1.1. Giíi thiÖu chung - VÞ trÝ anten trong hÖ thèng th«ng tin VT§ anten ®­îc ®Æt ë ®Çu ra m¸y ph¸t vµ ®Çu vµo m¸y thu. anten ph¸t anten

thu

M tr­êng

truyÒn

- Vai trß: Lµ phÇn tö kh«ng thÓ thiÕu trong bÊt kú hÖ thèng th«ng tin

VT§.

- §Þnh nghÜa: + anten ph¸t: Lµ mét thiÕt bÞ dïng ®Ó biÕn ®æi n¨ng l­îng dßng cao tÇng ®­îc ®iÒu chÕ tõ m¸y ph¸t thµnh n¨ng l­îng sãng ®iÖn tõ vµ bøc x¹ vµo kh«ng gian theo mét quy luËt x¸c ®Þnh.

+ Anten thu: Lµ thiÕt bÞ dïng ®Ó thu sãng ®iÖn tõ tõ kh«ng gian tíi theo quy luËt x¸c ®Þnh vµ biÕn ®æi thµnh n¨ng l­îng dßng cao tÇng ®Ó ®­a tíi ®Çu vµo cña m¸y thu.

Anten chÝnh lµ mét thiÕt bÞ biÕn ®æi n¨ng l­îng vµ ®Þnh h­íng

truyÒn sãng.

- Yªu cÇu ®èi víi anten: Cã tÝnh ®Þnh h­íng x¸c ®Þnh. HiÖu suÊt ®ñ cao ®Ó khi ph¸t gi¶m ®­îc tæn hao, khi thu t¨ng ®­îc tØ sè tÝn/t¹p.

Gi¶i th«ng ®ñ réng. ChÞu ®­îc c«ng suÊt khi ph¸t vµ cã kh¶

n¨ng chèng nhiÔu khi thu.

KÝch th­íc gän, träng l­îng nhÑ, gi¸ thµnh

rÎ

2.1.2. c ¸c tham s è c ¬ b¶n c ña ante n

- Hµm biªn ®é chuÈn ho¸ BiÓu thÞ biªn ®é c­êng ®é tr­êng ë h­íng kh¶o s¸t trªn biªn ®é tr­êng ë h­íng cùc ®¹i. Hµm nµy ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt t¹i 1.

- Hµm h­íng tÝnh: BiÓu thÞ sù phô thuéc cña c­êng ®é tr­êng bøc x¹ cña anten theo c¸c h­íng kh¸c nhau trong kh«ng gian víi kho¶ng c¸ch kh«ng ®æi.

2.1.3. §å thÞ ph­¬ng h­íng vµ ®é ré ng bó p s ãng §å thÞ ph­¬ng h­íng ®­îc vÏ bëi hµm tÝnh h­íng. Nã m« t¶ quan hÖ gi÷a c­êng ®é tr­êng bøc x¹ hoÆc c«ng suÊt bøc x¹ cña anten trong c¸c h­íng kh¸c nhau víi mét kho¶ng c¸ch kh¶o s¸t cè ®Þnh

§å thÞ ph­¬ng h­íng trong hÖ to¹ ®é cùc

q

3dB

Cã nhiÒu c¸ch ®¸nh gi¸ ®é réng bóp sãng, th­êng ®é réng bóp sãng nöa c«ng suÊt ®­îc sö dông. §é réng bóp sãng nöa c«ng suÊt tøc lµ gãc gi÷a hai h­íng mµ theo hai h­íng ®ã c«ng suÊt bøc x¹ gi¶m ®i mét nöa so víi c«ng suÊt bøc x¹ cùc ®¹i. KÝ hiÖu: ( hay cßn gäi lµ ®é réng bóp sãng 3dB), nÕu gi¸ trÞ nµy cµng bÐ th× anten tËp trung c«ng suÊt bøc x¹ cµng m¹nh.

2.1.3. §å thÞ ph­¬ng h­íng vµ ®é ré ng bó p s ãng §é réng bóp sãng (®é réng cña ®å thÞ ph­ ¬ng h­íng) ®­îc x¸c ®Þnh bëi gãc gi÷a hai h­ íng mµ theo hai h­íng ®ã c­êng ®é tr­êng hoÆc c«ng suÊt bøc x¹ gi¶m ®i mét gi¸ trÞ nhÊt ®Þnh.

§é réng cña ®å thÞ ph­¬ng h­íng

2.1.3. §å thÞ ph­¬ng h­íng vµ ®é ré ng bó p s ãng

- C«ng suÊt bøc x¹: P A= P bx+ P th. P A: C«ng suÊt ®Æt vµo anten. P bx: C«ng suÊt bøc x¹. P th: C«ng suÊt tæn hao. - §iÖn trë bøc x¹: P A= I2 (Rbx+ Rth.) Rbx, Rth: §iÖn trë bøc x¹ vµ ®iÖn trë tæn hao cña

anten. - HiÖu suÊt:

§Æc tr­ng cho møc ®é tæn hao c«ng suÊt cña anten.

Th­êng nhá h¬n 1.

2.1.4. C«ng s uÊt bø c x¹, ®iÖn trë bø c x¹ vµ hiÖu s uÊt c ña ante n.

HÖ sè ®Þnh h­íng:

)

D qj ( , S qj ( ,

)

: HÖ sè h­íng tÝnh cña anten. : MËt ®é c«ng suÊt bøc x¹ cña antenkh¶o s¸t. S0: MËt ®é c«ng suÊt bøc x¹ cña anten chuÈn cïng h­íng. Hay:

)

E qj ( , : Biªn ®é c­êng ®é ®iÖn tr­êng anten kh¶o s¸t. E0: Biªn ®é c­êng ®é ®iÖn tr­êng cña anten v« h­íng. VËy:

2.1.5. HÖ s è h­íng tÝnh vµ hÖ s è khuyÕc h ®¹i.

HÖ sè khuÕch ®¹i cña anten §Æc tr­ng cho anten vÒ tÝnh bøc x¹ vµ c¶ kh¶ n¨ng lµm viÖc (cßn ®­îc gäi lµ hÖ sè t¨ng Ých hay ®é lîi cña anten).

§å thÞ ph­¬ng h­íng cña anten omni-directional vµ anten v« h­íng HÖ sè h­íng tÝnh vµ hÖ sè khuÕch ®¹i th­êng ®­îc biÓu

diÔn theo ®¬n vÞ dB.

2.1.6. Trë kh¸ng vµo c ña ante n.

Ua: §iÖn ¸p ®Çu vµo anten. Ia: Dßng ®iÖn ®Çu vµo anten.

2.1.7. C«ng s uÊt bøc x¹ ®¼ng h­íng t­¬ng ®­¬ng.

EIRP= P T.GT (W). P T: C«ng suÊt ®Çu ra m¸y ph¸t GT: HÖ sè khuÕch ®¹i anten ph¸t (coi b»ng

1).

EIRP cã thÓ ®­îc tÝnh theo ®¬n vÞ dB:

Bµi tËp Bµi 1: Mét m¸y ph¸t cã c«ng suÊt lµ 100W nèi víi anten cã hÖ sè khuÕch ®¹i 10. X¸c ®Þnh c«ng suÊt bøc x¹ ®¼ng h­íng t­¬ng ®­¬ng tÝnh theo W, dBW, dBm?

Bµi 2: Mét anten cã trë kh¸ng bøc x¹ 73 ,trë kh¸ng tæn hao 8 , hÖ sè h­íng tÝnh 20, c«ng suÊt m¸y ph¸t ®­a vµo anten 100W. X¸c ®Þnh:

a. HiÖu suÊt lµm viÖc cña anten. b. HÖ sè khuÕch ®¹i cña anten (dBi). c. C«ng suÊt bøc x¹ vµ c«ng suÊt bøc x¹ ®¼ng h­íng t­¬ng ®­¬ng W, dBW, dBm.

Lêi gi¶i

Bµi 1: C«ng suÊt bøc x¹ ®¼ng h­íng t­¬ng ®­¬ng

tÝnh theo W, dBW, dBm:

Lêi gi¶i

Bµi 2:

2.1.8. DiÖn tÝc h hiÖu dô ng vµ c hiÒu dµi hiÖu dô ng

DiÖn tÝch hiÖu dông:

A: diÖn tÝch bøc x¹ hay c¶m øng thùc tÕ cña

anten.

Quan hÖ gi÷a diÖn tÝch hiÖu dông vµ hÖ

sè khuÕch ®¹i anten thu:

2.1.9. D¶i tÇn c «ng t¸c D¶i tÇn c«ng t¸c cña anten ®­îc ph©n thµnh bèn nhãm:

2.1.10. HÖ s è b¶o vÖ cña anten

• TÝnh theo ®¬n vÞ dB cã:

2.2. C¸c nguån bøc x¹

Theo lý thuyÕt vÒ tr­êng bøc x¹, c¸c

anten bøc x¹ sãng ®iÖn tõ cã thÓ ®­îc xem lµ tËp hîp cña c¸c nguån bøc x¹ ®¬n gi¶n. ChÝnh v× thÕ ®Ó nghiªn cøu c¸c anten

phøc t¹p chóng ta cã thÓ dùa trªn viÖc nghiªn cøu c¸c anten nguyªn tè ®¬n gi¶n nh­ dipol ®iÖn vµ dipol tõ.

2.2.1. Dipol ®iÖn

• CÊu t¹o Dipol ®iÖn hay cßn gäi lµ l­ìng cùc

®iÖn

Lµ mét ®o¹n d©y dÉn m¶nh, th¼ng,

cã chiÒu dµi rÊt nhá so víi b­íc sãng c«ng t¸c, trªn ®o¹n d©y cã dßng ®iÖn mµ biªn ®é vµ pha ®­îc xem lµ ®ång ®Òu t¹i mäi ®iÓm.

2.2.1. Dipol ®iÖn Ph©n bè dßng ®iÖn trªn dipol vµ c¸c ®­êng søc ®iÖn,

tõ tr­êng do dipol g©y ra:

2.2.1. Tr­ê ng bø c x¹ c ña dipo l ®iÖn

2.2.1. Tr­êng bøc x¹ cña dipol ®iÖn §Æt dipol trong hÖ to¹ ®é cÇu t©m O trïng t©m dipol.

ChiÒu dµi h­íng theo trôc z. Tr­êng ®iÖn tõ thu ®­îc t¹i ®iÓm M bÊt kú cã to¹ ®é lµ:

2.2.1. Tr­ê ng bø c x¹ c ña dipo l ®iÖn

Thay c¸c gi¸ trÞ cña Z vµ k vµo ta ®­îc:

C¸c th«ng sè:

2.2.1. Tr­ê ng bø c x¹ c ña dipo l ®iÖn

§å thÞ ph­¬ng h­íng cña dipol ®iÖn

2.2.1. Tr­ê ng bø c x¹ c ña dipo l ®iÖn

2.2.1. Tr­êng bøc x¹ cña dipol ®iÖn

- C«ng suÊt bøc x¹ cña dipol ®iÖn

- §iÖn trë bøc x¹ cña dipol ®iÖn

- HÖ sè ®Þnh h­íng cña dipol ®iÖn

NhËn xÐt: - Tr­êng bøc x¹ dipol lµ tr­êng ph©n cùc th¼ng,

mÆt ph¼ng ®iÖn tr­êng lµ mÆt ph¼ng chøa trôc dipol, mÆt ph¼ng tõ tr­êng lµ mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi trôc dipol.

- N¨ng l­îng tr­êng bøc x¹ lµ n¨ng l­îng thùc v× t¹i mçi ®iÓm kh¶o s¸t c¸c vecto ®Òu cã ph­ ¬ng gièng nhau.

- Hµm h­íng tÝnh cña dipol chØ phô thuéc gãc mµ kh«ng phô thuéc gãc . Nªn tr­êng bøc x¹ dipol ®iÖn cã tÝnh h­íng trong mÆt ph¼ng E vµ v« h­íng trong mÆt ph¼ng H .

2.2.1. Tr­ê ng bø c x¹ c ña dipo l ®iÖn

2.2.2. Dipol tõ

Lµ mét ®o¹n d©y dÉn m¶nh, th¼ng,

cã chiÒu dµi rÊt nhá so víi b­íc sãng c«ng t¸c, trªn ®o¹n d©y cã dßng tõ mµ biªn ®é vµ pha ®­îc xem lµ ®ång ®Òu t¹i mäi ®iÓm.

2.2.2. Dipol tõ

®iÖn, tõ tr­êng do dipol g©y ra:

Ph©n bè dßng trªn dipol tõ vµ c¸c ®­êng søc

2.2.2. Tr­ê ng bø c x¹ c ña dipo l tõ

Tr­êng ®iÖn tõ thu ®­îc t¹i ®iÓm M bÊt kú:

Trong thùc tÕ kh«ng cã dßng tõ mµ chØ cã

dßng tõ t­¬ng ®­¬ng, tøc lµ chØ cã phÇn tö trªn ®ã tån t¹i thµnh phÇn tiÕp tuyÕn cña ®iÖn tr­ êng.

2.2.2. Tr­ê ng bø c x¹ c ña dipo l tõ

2.2.2. Tr­ê ng bø c x¹ c ña dipo l tõ

- C«ng suÊt bøc x¹ cña dipol tõ:

- §iÖn dÉn bøc x¹ cña dipol tõ:

- Khi ®iÖn tr­êng bøc x¹ cña dipol ®iÖn cã gi¸ trÞ b»ng ®iÖn tr­êng bøc x¹ cña dipol tõ th× dßng tõ ph¶i cã gi¸ trÞ gÊp hai lÇn dßng ®iÖn cña dipol ®iÖn. NghÜa lµ:

2.3. Nguyªn tè bøc x¹ hçn hîp

- CÊu t¹o: Gåm mét dipol ®iÖn ®Æt vu«ng gãc víi mét dipol tõ. Dipol ®iÖn ®Æt theo trôc x cã dßng m. e, dipol tõ ®Æt theo trôc y cã dßng tõ Iy ®iÖn Ix Gi¶ sö ®é dµi hai dipol b»ng nhau vµ b»ng l. Ta cã quan hÖ biªn ®é gi÷a dßng ®iÖn vµ dßng tõ lµ:

Trong ®ã a: HÖ sè thùc hoÆc sè phøc Z: Trë kh¸ng sãng cña m«i tr­êng

2.3. Nguyªn tè bøc x¹ hçn hîp

Nguyªn tè bøc x¹ hçn hîp

T¹i mäi ®iÓm kh¶o s¸t tr­êng bøc x¹ gåm c¶ bèn thµnh phÇn §iÖn tr­êng bøc x¹ ë khu xa:

Hµm tÝnh h­íng:

Hµm tÝnh h­íng biªn ®é chuÈn ho¸:

HÖ sè ®Þnh h­íng:

2.3. Ng uyªn tè bø c x¹ hç n hîp

§å thÞ ph­¬ng h­íng

2.3. Ng uyªn tè bø c x¹ hç n hîp

2.3. Nguyªn tè bøc x¹ hçn hîp

NhËn xÐt: Nguyªn tè bøc x¹ hçn hîp chØ bøc x¹

n¨ng l­îng cùc ®¹i vÒ mét h­íng. H­íng bøc x¹ cùc ®¹i ®­îc x¸c ®Þnh bëi h­íng cña tÝch vect¬ (IexIm). Nguyªn tè bøc x¹ hçn hîp ®­îc gäi lµ nguyªn tè bøc x¹ ®¬n h­íng. C©u hái vµ bµi tËp

C©u hái vµ bµi tËp