Tải bản đầy đủ (.ppt) (72 trang)

Trường điện từ và kỹ thuật Anten pdf

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (700.62 KB, 72 trang )

TRƯỜNG ĐIỆN TỪ
VÀ KỸ THUẬT ANTEN
Tài liệu tham khảo:Trường điện từ và truyền sóng - Phan Anh - NXB
ĐHQGHN
Lý thuyết và kĩ thuật anten – Gs Ts Phan Anh – NXB khoa học kỹ thuật.
Trường và sóng điện từ – Phan Anh (dịch) – NXB ĐH và TCCN
NỘI DUNG
CHƯƠNG I. SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG
CHƯƠNG II. LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ANTEN
CHƯƠNG III. CÁC LOẠI ANTEN
Chương I. Sóng điện từ và truyền sóng.
Giíi thiÖu

- Trường điện từ là một dạng đặc biệt của
vật chất. Nó tồn tại dưới dạng sóng hoặc hạt,
có tác dụng tương hỗ với các hạt mang điện.
Trong chân không trường điện từ truyền với
vận tốc ánh sáng (3.10
8
m/s)

- Năng lượng của trường điện từ có thể biến
đổi từ dạng này sang dạng khác nhưng luôn
bảo toàn

Theo định luật Einstein năng lượng và khối
lượng trường điện từ có quan hệ:



W= m.c


2
(J)

W: năng lượng;

m: Khối lượng (kg);

c: Vận tốc ánh sáng (m/s).
Hệ phương trình Maxwell

Phương trình Maxwell thứ nhất:
H
T d
E
J J
t
rotH
ε

= = +

Trong đó:

: Cường độ từ trường (A/m);
: Mật độ dòng điện dẫn (A/m
2
);

: Cường độ điện trường (V/m);
: Hằng số điện môi (F/m);

: Điện dẫn suất (S/m);

d
J E
σ
=

E
ε
T d dich
J J J
= +
σ
Ý NGHĨA PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL
THỨ NHẤT

Từ trường có thể được gây ra không chỉ bởi
dòng điện dẫn mà do cả dòng điện dịch, nghĩa
là do sự biến đổi của cường độ điện trường
theo thời gian.

Tác dụng của dòng điện dẫn và dòng điện dịch
là như nhau trong việc tạo ra từ trường.
Hệ phương trình Maxwell

Phương trình Maxwell thứ hai:
H
t
rotE
µ


= −

Trong đó:

: Độ từ thẩm của môi trường (A/m);

µ

Ý NGHĨA PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL
THỨ HAI

Từ trường biến đổi theo thời gian sẽ tạo ra
điện trường.
Hệ phương trình Maxwell
- Phương trình Maxwell thứ ba:

: Mật độ điện tích

-
Phương trình Maxwell thứ tư:
ý nghĩa: Là hai phương trình xác định mật độ nguồn của điện
trường và từ trường
div E
ρε
=
ρ
0div H
µ
=


Hệ hương trình Maxwell đầy đủ
d
E
J
t
rotH
ε

+

=
H
t
rotE
µ

= −

div E
ρε
=
0div H
µ
=
Kết luận

Có biến thiên của điện trường dẫn đến có từ
trường biến thiên và ngược lại.


Dòng điện dẫn và dòng điện dịch có vai trò
như nhau trong việc sinh ra từ trường.

Trong chân không vẫn tồn tại điện từ trường.
Định lý Poynting
Đây là định lý về sự bảo toàn năng lượng trong trường điện từ.
Phát biểu:
Năng lượng trường điện từ chảy qua một đơn vị điện tích trong
một đơn vị thời gian được xác định theo công thức:
Trong đó:
: Công suất tổn hao dưới dạng nhiệt của dòng
điện trong thể tích V.
S: Diện tích mặt giới hạn bởi đường vòng dây dẫn
l.
: vecto mật độ thông lượng năng lượng chảy
qua mặt S trong đơn vị thời gian (vectơ
poynting)
dW
dt
S
Q dS
π
− = +

. .
V
Q J E dV
=

E H

π
= ×
Định lý Poynting
Chiều của vectơ poynting là chiều dịch thuận theo quy
tắc vặn nút chai từ sang (hay quy tắc bàn tay trái)
với góc quay nhỏ nhất.
Năng lượng trường điện từ chảy qua một đơn vị thời
gian được xác định:
; W/m
2
.
HE
E
H
π
.E H
π
=
1.1. Sóng điện từ
1.1.1. Sóng điện từ phẳng
a. Khái niệm: Sóng điện từ tạo ra các vectơ điện và từ có biên độ và pha
giống nhau và hợp thành các mặt đồng pha và đồng biên là những mặt
phẳng thì được gọi là sóng điện từ phẳng.
b. Môi trường truyền sóng:
- Điện môi lý tưởng (đồng nhất không tổn hao)
-
Đồng nhất, có tổn hao
-
Bán dẫn.
Nhận xét: Sóng điện từ không lan truyền trong môi trường kim loại (Fe, Cu…)

c. Tính chất:
-
Phản xạ, khúc xạ khi sóng truyền qua hai môi trường có chiết suất khác
nhau.
-
Nhiễu xạ khi bước sóng xấp xỉ với kích thước vật cản.
-
Tán xạ khi bước sóng nhỏ hơn vật cản.
E
H
1.1. Sóng điện từ
1.1.2. Bức xạ sóng điện từ
a. Định nghĩa
Quá trình truyền trường điện từ từ nguồn vào không gian gọi
là quá trình bức xạ trường điện từ.
Bức xạ trường điện từ chỉ xảy ra với nguồn biến thiên.
b. Bức xạ của dipol điện
-
Trường vùng gần.
ở khu gần thì các thành phần điện trường và từ trường lệch
pha nhau 90
0
theo thời gian. Do đó vecto poynting trung bình
sẽ có giá trị bằng không. Chứng tỏ năng lượng của trường
vùng gần có tính dao động. Trong một phần tư chu kỳ đầu thì
năng lượng này dịch chuyển từ nguồn trường ra không gian
xung quanh và trong một phần tư chu kỳ tiếp theo lại dịch
chuyển trở lại giống như sự trao đổi năng lượng trong một
mạch dao động. Trường khu gần còn được gọi là trường cảm
ứng và khu gần được gọi là khu cảm ứng.

1.1. Sóng điện từ
-
Trường vùng xa
Điện trường và từ trường ở vùng xa luôn
luôn đồng pha nhau. Vì thế giá trị trung bình
của vecto poynting luôn khác không và năng
lượng bức xạ được dịch chuyển từ nguồn vào
không gian xung quanh. Trường điện từ bức
xạ ở vùng xa có dạng sóng cầu, có vecto điện
và từ vuông góc với hướng truyền lan. Sóng
điện từ trong trường hợp này được gọi là sóng
điện từ ngang
1.1. Sóng điện từ
1.1.3. Sóng điện từ định hướng
- Khái niệm:
Sóng điện từ được lan truyền theo một hướng xác định, tránh sự phân tán năng
lượng theo các hướng khác khi truyền thông tin giữa các thiết bị đầu cuối. được
gọi là sóng điện từ định hướng.
-
Các loại hệ định hướng:
+ Dây song hành:
Gồm hai dây dẫn để song song trong một vỏ bọc. Khi đó sóng điện từ được
định hướng bởi hệ thống này truyền lan ở không gian xung quanh dây dẫn.
Dây song hành thích hợp sử dụng đối với dải sóng có bước sóng lớn (>1m).
Dây song hành được bọc kim có hiệu quả truyền dẫn cao hơn nhiều sơ với
dây không bọc.
+ Dây đồng trục:
Gồm một dây dẫn bọc trong vỏ bọc. Sóng điện từ truyền trong không gian
giữa các mặt của dây dẫn trong và ngoài.
Dây đồng trục có hiệu quả truyền dẫn cao, có cấu trúc đơn giản.

+ ống dẫn sóng:
Là không gianđược bao bọc bởi vỏ kim loại khi không có dây dẫn bên trong.
Sóng điện từ được lan truyền trong không gian đó.
1.1. Sóng điện từ
Các loại hệ định hướng
1.2. Truyền sóng
1.2.1. Các vấn đề chung về truyền sóng.
Khảo sát về sự truyền lan tự do của sóng điện từ ở dải vô tuyến
điện.
Vai trò thông tin, thông tin vô tuyến trong xã hội hiện đại.
Nhờ các sóng này mà có thể thiết lập các kênh thông tin vô
tuyến với cự ly thông tin rất lớn.
Một kênh thông tin thường gồm các thiết bị thu - phát đặt ở đầu
cuối đường truyền và tin tức được mang đi nhờ sóng điện từ lan
truyền trong môi trường vật lý trung gian gọi là môi trường truyền
sóng.
Để đảm bảo cũng như tăng chất lượng kênh thông tin vô tuyến
chúng ta không chỉ quan tâm đến tính năng, chất lượng của thiết bị
đầu cuốimà còn phải xét đến môi trường truyền sóng, lựa chọn dúng
đắn tần số công tác cũng như chọn phương thức truyền sóng hợp lý
1.2. Truyền sóng
-
ảnh hưởng của môi trường đến truyền sóng
Môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến truyền sóng và
gây ra các hiện tượng:
+ Suy hao sóng
+ Thay đổi hướng và vận tốc truyền sóng
+ Làm méo tín hiệu
-
Phân loại sóng:

Có hai cách phân loại:
+ Theo bước sóng: Sóng cực dài, sóng dài, sóng
trung, sóng ngắn,
+ Theo phương thức truyền lan: Sóng trực tiếp, sóng
đất, sóng đối lưu, sóng điện ly.
1.2. Truyền sóng
1.2.1. Truyền sóng đất

Khái niệm:
Là sóng VTĐ được truyền ở gần mặt đất theo
đường thẳng hoặc bị phản xạ từ mặt đất hoặc
bị uốn theo độ cong mặt đất do hiện tượng
nhiễu xạ.
Hiện tượng nhiễu xạ là hiện tượng quỹ đạo tia
sóng bị uốn cong quanh vật cản trên đường
truyền.

Khái quát chung
Sóng trong trường hợp này bị ảnh hưởng
bởi đất mà cụ thể là bị ảnh hưởng của chất
đất và địa hình. Vì thế biết được các thông số
đất ( hằng số điện môi , điện dẫn suất,…)
là rất quan trọng.
Giải một bài toán tổng quát về sóng đất với
nhiều biến số như vậy rất là khó. Người ta sử
dụng một biện pháp trong thực tế đó là giải
các bài toán riêng với các giả thiết riêng lý
tưởng hơn:
ε
σ

+ Thay thế đất thực lồi lõm bằng mặt đất bằng phẳng
tưởng tượng.
+ Bỏ qua sự biến đổi liên tục, từ từ của chất đất trên
đường truyền. Xem như tham số đất biến đổi một cách
đột ngột khi qua các vùng đất khác nhau.
+ Đối với mặt đất thực thường càng xuống sâu thì độ
dẫn điện càng tăng do độ ẩm cao hơn nhưng trong tính
toán ta coi tham số đất không thay đổi theo độ sâu.
+ Thay đất thực tế bằng đất tưởng tượng có thông số
tương đương.
+ ở cự ly gần (r nhỏ) coi đất phẳng
+ ở cự ly xa (r lớn) xem mặt đất là mặt cầu.
+ Trong truyền sóng người ta sử dụng anten để thu phát
tín hiệu. Có hai loại anten được sử dụng là:
Anten đặt thấp.
Anten đặt cao.

Anten đặt cao
Truyền sóng khi anten đặt cao thường chỉ
gặp đối với sóng ngắn và cực ngắn.
Anten đặt cao là anten có bộ phận thu và
phát sóng điện từ nằm ở cao so với mặt đất (cỡ
vài bước sóng).
Anten đặt cao
Giả thiết đặt ra:
Tại A có anten phát với công suất P
1
. Hệ số định hướng
D
1

đặt ở độ cao h
1
.
Tại B ở độ cao h
2
đặt anten thu.
Sóng điện từ có bước sóng .
r
1
đường đi từ A đến B của tia tới trực tiếp.
r
2
đường đi từ A đến B của tia phản xạ.
r: Khoảng cách từ anten phát đến anten thu
: Góc nghiêng tia phản xạ
Yêu cầu: Xác định cường độ trường tại B.
θ

×