Lý thuyết anten - Phần 1 - Chương 1 docx

PHAÀN 1


LYÙ THUYEÁT
ANTEN









CHƯƠNG I : KHÁI NIỆM TRƯỜNG ĐIỆN TỪ
oOo
I. Đặc điểm sóng điện từ.
Toàn bộ lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở của sóng điện
từ. Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian thống
nhất tạo thành trường điện từ.
Trường điện từ là một dạng vật chất cơ bản, chuyển động với
vận tốc c trong mỗi hệ quy chiếu quán tính trong chân không; nó thể
hiện sự tồn tại và vận động qua những tương với một dạng vật chất
khác là những hạt hoặc những môi trường chất mang điện.
Trường điện từ có mang năng lượng và nhiệt độ:

)DHBE(
2

1
W +=
(
3
m
J
)
Trường điện từ đặc trưng bởi các đại lượng sau :
E
: vector cường độ điện trường (
m
V
)
D
: Vector cảm ứng điện (
2
m
C
)
B
: Vector cảm ứng từ (
2
m
Wb
)
H
: Vector cường độ từ trường (
m
A
)

Trường điện từ được biểu diễn qua hệ thống phương trình
Maxwell .
rot
E
= -
t
B
∂
∂
(1.1)
t
D
JHrot
∂
∂
+=
(1.2)
ρ=Ddiv
(1.3)
0Bdiv =
(1.4)
Ngoài ra còn có phương trình liên hệ :


EED
r
εε=ε=
ο
(
2

m
C
) (1.5)
HHB
r
μμ=μ=
ο
(
T
m
Vs
2
=
) (1.6)

EJ γ=
(
2
m
A
) (1.7)

J
:thông lượng vector mật độ dòng dẫn (
2
m
A
)

ρ

: phân bố điện tích khối (
3
m
C
)
: độ dẫn điện của môi trường dẫn (
γ
m
s
m
1
=
Ω
)
:ε
hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (
m
A
)
Đối với môi trường chân không
)
m
F
(
36
10
9
π
=ε=ε
−

ο

101
r
÷=ε
:các điện môi thông thường
1
r
=ε : không khí
43
r
1010 ÷=ε
: một số muối senhet
:μ
hệ số từ thẩm của môi trường (
m
H
)
Đối với môi trường chân không
)
m
H
(10.4
7−
ο
π=μ=μ

1
r
=μ

: đối với môi trường thông thường
Nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và từ
trường.

Ý nghóa hệ phương trình Maxwell.
- Phương trình Maxwell (1.1)và (1.2) nêu rõ từ trường và điện trường
biến thiên luôn gắn bó với nhau và luôn có tính chất xoáy.

- Phương trình Maxwell (1.3)và (1.4)mô tả dạng hình học của hai mặt
thể hiện điện trường và từ trường.
II. Sóng điện từ :
Phương trình sóng điện từ có dạng.

E
=
Eo
cos( t -
V
x
)
Tương tự :
B
=
Bo
cos( t - )
V
x

Eo
,

Bo
, phụ thuộc điều kiện đầu.
Hàm
E
( x,t ) và
B
( x,t ) là các hàm sóng, như vậy điện trường
và từ trường lan truyền trong không gian dưới dạng sóng .
Vậy sóng điện từ là trường điện từ biến thiên truyền đi trong
không gian. Sự lan truyền của sóng điện từ thể hiện qua sự lan truyền
năng lượng điện từ, các cường độ trường (sóng E, sóng H )và các thế
(sóng A, sóng ϕ).
Theo dạng các mặt phẳng đồng pha của sóng điện từ mà ta có
sóng điện từ phẳng, sóng trụ hoặc sóng cầu Sóng điện từ phẳng là
sóng điện từ có mặt đồng pha là mặt phẳng, phương truyền của sóng
phẳng ở mọi nơi đều vuông góc với một mặt phẳng xác đònh.
Sóng điện từ được gọi là đơn sắc hay đều hòa nếu các vector
cường độ điện trường, từ trường biến đổi hình sin theo thời gian với một
tần số wxác đònh.
- Sóng phẳng gọi là sóng phẳng đồng nhất nếu vector E,H của sóng
phụ thuộc chỉ một tọa độ không gian.
- Sóng trụ tròn là dạng sóng mà trường và năng lượng lan truyền theo
chiều bán kính r tỏa từ một trục ra không gian xung quanh hoặc hướng
vào trục.

Tính chất của sóng điện từ tồn tại trong môi trường chất và trong
môi trường chân không.
a. Sóng điện từ có chức năng:
- Tạo chùm tia công suất theo một hướng đònh trước.

- Lái chùm tia để một khu vực nào đó có thể được bao phủ sóng.
- Cho phép đo đạc thông tin về góc để có thể xác đònh hướng.
b. Sóng điện từ là sóng không gian. Tại mọi điểm trong không gian,
phương
E
,
B
đều vuông góc với phương truyền sóng. Ta nói sóng điện
từ phẳng thuộc loại sóng điện từ ngang TEM
c.
E
,
H
luôn cùng pha và có trò số luôn tiû lệ với nhau.
d. Biên độ điện trưồng và từ trường của sóng giữ không đổi trong quá
trình lan truyền.
e. Vận tốc dòch chuyển của các mặt đẳng pha được gọi là vận tốc pha
(hay là vận tốc truyền năng lượng của trường (cả điện và từ kèm
theo nhau).
p
v

β
ω
=
p
v
(1.8)
trong đó β gọi là hệ số pha (rad/m)
f. Năng lượng và năng thông.

- Năng lượng sóng điện từ là năng lượng của trường điện từ.
Năng lượng này tồn tại trong vùng không gian có sóng điện từ.
- Năng thông là năng lượng truyền đi một đơn vò diện tích trong một
đơn vò thời gian.
Đònh nghóa :Vectơ Poynting.
Là vector mật độ dòng công suất điện từ, vector đó bằng công suất
điện từ chảy qua một đơn vò diện tích đặt vuông góc với dòng chảy
ExH=δ

III. Sóng điện từ trong môi trường bán dẫn điện đồng chất:
Ta có điện dẫn suất của môi trường γ
≠
0 khi đó hệ thống các
phương trình Maxwell là:
rot
H
=
Eγ
+
t
D
∂
∂
rot
E
= -
t
B
∂
∂

0Bdiv =
ρ=Ddiv

Nếu nguồn trường biến thiên theo qui luật điều hòa

.
jwt
)eERe(E = (1.9)
Re là phần thực của đại lượng phức. Từ các phương trình liên hệ, lấy
đạo hàm (1.9), kết hợp với các phương trình liên hệ và so sánh với
phương trình Maxwell ta có:

)
m
F
()i1(
p
εω
γ
−ε=ε

Từ sự tương ứng trên sau khi khảo sát người ta rút ra kết luận :
1. Sóng thộc loại sóng ngang.
2. Vectơ cường độ điện trường và từ trường vuông góc với nhau và cả
hai đều vuông góc với phương truyền sóng.
3. Sóng lan truyền bò môi trường hấp thụ làm suy giảm biên độ. Mức độ
suy giảm theo hàm mủ đặc trưng bởi thừa số với σ =
ρ
λ

π
=ρ
2
c
w

(1.10) là hệ số hấp thụ.
4. Điện trường và từ trường truyền đi với vận tốc giống nhau v= c/n
(m/s).
5. Ở một điểm trong không gian từ trường lệch pha với điện trường một
góc.
ϕ = arctg
n
ρ
(độ)
6. Biên độ cường độ điện trường và từ trường có quan hệ với nhau bởi
biểu thức :
H
m
=
π
ρ+
120
n
22
E
m
(
m
A

)
Qua biểu thức của hệ số hấp thu (1.10)ï ta thấy rằng khi điện dẫn càng
tăng và bước sóng càng ngắn thì hấp thụ càng nhiều .
Truyền sóng qua môi trường bán dẫn điện (mặt đất, mặt biển) để
giảm bớt tổn hao nên dùng sóng có bước sóng lớn.
IV. Sóng vô tuyến:

1. Đặc điểm của sóng vô tuyến:
Sóng vô tuyến có chung đặc tính với các dạng chuyển động khác. Có
thể nói một cách gần đúng, chuyển động sóng là bao gồm sự kế tiếp
liên tục những đỉnh sóng và đáy sóng với những khoảng cách bằng
nhau và chuyển động theo một tốc độ cố đònh. Ví dụ ta nhìn một mảnh
gỗ nổi trên mặt nước bò nâng lên và hạ xuống khi sóng đi qua, nhưng
nếu không có gió và dòng nước thì nó sẽ không dòch chuyển về bất cứ
hướng nào. Điều đó chỉ ra rằng sóng được tạo ra đầu tiên bởi một sự
biến động nào đó ở xa, tònh tiến qua môi trường (trong trường hợp này
là biển) với một tốc độ cố đònh nhưng bản thân môi trường thì không
dòch chuyển. Khoảng cách giữa hai sóng liên tục gọi là bước sóng (kí
hiệu λ). Một dao động hoàn chỉnh từ một đỉnh sóng qua đáy sóng đến
đỉnh sóng kế tiếp gọi là chu kì. Số chu kì sóng đi qua một điểm cố đònh
trong một khoảng thời gian cho sẵn gọi là tần số (kí hiệu f), có thể giải
thích tần số bằng số chu kì trên giây gọi là Hez (Hz). Rõ ràng là số chu
kì trong một giây phụ thuộc vào bước sóng và tốc độ mà sóng truyền
lan (tốc độ kí hiệu là c). Sóng có bước sóng 2m chuyển động với tốc độ
10m trên giây phải dao động với tần số là 5 chu kì trên giây.Mối quan
hệ giữa các yếu tố như sau:
Tốc độ bằng tần số x bước sóng
Hoặc C = f x λ (1.11)
Bằng cách suy luận từ sóng biển có thể chứng minh được sự thật xa
hơn. Một hòn đá ném xuống hồ cho thấy sóng sẽ truyền lan ra với tốc

độ cố đònh ở mọi hướng nếu như nó không bò cản trở.
Sóng vô tuyến có đầy đủ các đặc tính vừa mô tả khác nhau về bản
chất ở chổ sóng vô tuyến là sóng điện từ nó tạo nên bởi trường điện và
trường từ, mà không phải là chấn động cơ học. Sóng điện từ có đặc tính
với sóng ánh sáng, mặc dù bước sóng của chúng dài hơn yếu tố này
ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của chúng. Khi nói đến chúng người ta
thường dùng khái niệm điện hơn khái niệm từ, cường độ của chúng
đựơc đo bằng vol/
m
, công suất đo bằng oat/
2
m
. Sự tồn tại của năng
lượng trong sóng điện từ được chứng minh bởi một sự thực là nó cảm
ứng dòng điện trong vật chất mà nó tiếp xúc. Sóng vô tuyến có trục
điện và trục từ vuông góc nhau. Sự đònh hướng các trục này trong
không gian gọi là phân cực và chúng đựơc biểu diễn theo hướng của
trục điện. Bước sóng của sóng vô tuyến hiện nay thường nằm trong
khoảng 20.000m đến 4mm . Tốc độ của chúng trong không gian tự do
là cố đònh khoảng 300 triệu mét hoặc 161800 hải lý trên giây. Giá trò
này được sử dụng rộng rãi khi xét sự truyền lan của sóng trong khí
quyển. Vì tốc độ là cố đònh, khi tần số tăng thì bước sóng giảm. Ví dụ

dưới đây chỉ rõ công thức đưa ra ở trên được sử dụng như thế nào để
đổi bước sóng ra tần số: Hãy tìm tần số của một đài phát sóng vô tuyến
phát trên bước sóng 1500m.

λ
=
c

f
, hoặc tần số =
Hz000.200
500.1
000.000.300
=

Tần số sóng vô tuyến thường được đo bằng các bội số của Hz như:
1 kilôhec (Khz) = 10
3
Hz, 1mêgahec (Mhz) = 10
6
Hz, 1gigahec
(Ghz)=10
9
Hz.
Đối với một khoảng cách thời gian rất ngắn, thời gian thường được
tính bằng micrô giây( tức một phần triệu của giây). Sóng vô tuyến có
bước sóng ngắn như vậy gọi là sóng siêu ngắn (viba ).
Từ những so sánh đơn giản ở trên ta hiểu được bản chất chung của
sóng vô tuyến. Thuộc tính của chúng phụ thuộc rất nhiều vào phương
pháp bức xạ chúng vào không gian. Nhưng điều cần nói ở đây là sóng
vô tuyến có thể được tập trung lại thành chùm tia theo một hướng nhất
đònh và có thể bò phản xạ, khúc xạ, tán xạ hay nhiễu xạ giống như sóng
ánh sáng tùy thuộc vào bản chất môi trường mà chúng đi qua và những
mục tiêu mà chúng tiếp xúc.
2. Sự đònh hướng.
Ta chỉ xét thời điểm mà lúc sóng bắt đầu truyền trong không gian.
Kích thước cần thiết của bộ phản xạ để tập trung sóng vô tuyến
vào một chùm tia với độ rộng cho trước, phụ thuộc vào bước sóng được

sử dụng, bước sóng càng dài thì bộ phản xạ càng rộng. Vì vậy để có
một bộ phản xạ có kích thước thích hợp, để nhận được một chùm tia
hẹp phải sử dụng sóng có bước sóng rất ngắn. Với bước sóng 3cm bộ
phản xạ rộng 5 fút thì sẽ cho một chùm tia rộng khoảng 1.5 độ với bộ
phản xạ rộng 10 fút sẽ cho chùm tia rộng 0.75 độ.
Độ chính xác của việc do hướng chỉ cần thiết trên mặt phẳng
ngang tức là phương vò. Chúng ta dễ nhận thấy rằng, ở bất kỳ phương vò
nào chùm tia càng rộng thì cường độ của nó càng yếu.
Bộ phản xạ phát năng lượng đi theo một chùm tia hẹp với góc độ
nhất đònh, năng lượng ấy được phát từ tiêu điểm mặt phản xạ thì bộ
phản xạ cũng tập trung tất cả năng lượng từ nguồn bên ngoài đi đến nó
rồi phản xạ về cùng một tiêu điểm ấy theo cùng góc độ như lúc nó phát
đi. Điều đó nói lên rằng anten có tính đònh hướng cho cả thu và phát.
Nó không những có lợi cho độ chính xác của việc do hướng mà còn làm
tăng cường độ của sóng thu được.

Sự suy giảm cường độ tín hiệu theo khoảng cách: cường độ của tín
hiệu thu được ở một điểm sẽ biến đổi khi thay đổi khoảng cách của
điểm đó đến máy phát như sau:
+ Cường độ trường( đo bằng vol/
m
) tỉ lệ nghòch với khoảng cách.
+ Công suất( đo bằng oat/
2
m
) tỉ lệ nghòch với bình phương khoảng
cách. ï
V. Công suất truyền sóng lý tưởng.
Giả sử nguồn bức xạ là đẳng hướng và được đặt trong một không
gian tự do. Nghóa là trong một môi trường đồng nhất, đồng hướng

không hấp thụ và có hệ số điện thẩm tương đối bằng một.
Ta tính mật độ thông lượng năng lượng của trường bức xạ ở một
khoảng cách kể từ nguồn và giả thuyết là năng lượng bức xạ phân bố
đồng đều trên mặt cầu bán kính r.
Biểu thò công suất bức xạ bằng W. Đơn vò chiều dài là m , ta có
biểu thức thông lượng năng lượng qua một đơn vò điện tích của mặt cầu
bán kính r trong một đơn vò thời gian là:
S =
)m/W(
r4
2
2
π
ρ
(1.12)
Giá trò của biểu thức (1.12) cũng chính bằng giá trò trung bình của
vector Poynting ở trên mặt cầu ấy:
S = E
n
H
n
(1.13)
E
h
(V/m); H
n
(A/m) gọi là trò hiệu dụng của vectơ cường độ điện trường
và từ trường .
Trong đơn vò đo lường hợp pháp
H = E/120 ( A/m )

khi đó (1.13) được viết lại
S =
π
120
2
E
(W/
2
m
) Eh =
r
p30
(V/m)
Trong thực tế người ta dùng những hệ thống bức xạ có tính
phương hướng. Mức độ đònh hướng được đánh giá bởi hệ số phương
trình D, hệ số D là một hệ số đặc trưng cho mật độ tập trung năng
lượng bức xạ của anten theo một hướng nào đó. Có thể hiểu một cách

đơn giản như sau: một anten có hướng công suất bức xạ P và có hệ số
tính phương hướng ở một hướng nào đó là D sẽ tạo ra điểm thu ở
hướng đó một cường độ trường có trò sẽ giống như một anten về hướng
có công suất PD tạo ra. Như vậy việc sử dụng anten có hướng sẽ tương
đương với việc tăng công suất bức xạ lên so với anten vô hướng khi đó:
Eh =
r
PD90

Trò số biên độ của cường độ trường E
m
=

r
pD60
(V/m)
Trò số tức thời của cường độ trường bằng :
E =
r
pD60
cos ( t-
r
pD
c
n 60
)
=
cos( wt-Kr )
w : tần số góc của sóng
K=
wc
w
π
2
=
là hệ số sóng

λ
: bước sóng không gian tự do.
Trường hợp nguồn bức xạ không phải đặt trong không gian tự do
mà đặt trên mặt đất dẫn điện lý tưởng, khi ấy năng lượng sẽ phân bố
theo một nữa hình cầu, trò số D sẽ tăng gấp đôi và cường độ trường sẽ
tăng lên

2
lần.
VI. Phân loại sóng theo vô tuyến điện theo băng sóng và theo
phương thức lan truyền .
Các sóng vô tuyến điện chia thành 5 băng sóng.
1. Sóng cực dài: sóng có bước sóng lớn hơn 10.000 m (tần số thấp hớn 30
Khz ).
2. Sóng dài: là sóng có bước sóng từ 10.000 m đến 1.000 m.
3. Sóng trung: là sóng có bước sóng từ 1.000 m đến 100m ( tần số
300Khz đến 3 Mhz ).
4. Sóng cực ngắn : là sóng có bước sóng 10m đến 1mm (tần số 30 Mhz
đến 300.000 Mhz ).
 Những phương thức lan truyền của sóng vô tuyến điện

a. Những sóng vô tuyến điện lan truyền ở mặt đất sẽ lan truyền theo
đường thẳng với vận tốc không đổi. Do sự có mặt của mặt đất là dẫn điện,
một mặt gây phản xạ sóng, làm biến dạng cấu tạo của sóng và gây ra hấp
thụ sóng trong đất, mặt khác bò cuốn đi theo độ cong mặt đất do hiện
tượng nhiễu xạ. Những sóng này gọi là sóng đất. Vậy sự lan truyền sóng
đất có thể bao gồm tất cả các băng sóng đã nêu ở trên.
b. Tầng đối lưu là một lớp khí quyển nằm trực tiếp sát mặt đất lên đến
độ cao khoảng 10 – 15 km. Đó là một môi trường không đồng nhất.
c. Những sóng vô tuyến điện được truyền đi do sự khuếch tán trong
tầng đối lưu gọi là sóng tầng đối lưu. Những sóng với bước sóng ngắn hơn
10 m mới có thể truyền đi theo dạng này. Tầng điện ly là một miền của
khí quyển cao nằm từ độ cao 60 km đến 500 km trên mặt đất. Tầng điện
ly là môi trường bán dẫn điện và sóng có thể phản xạ, từ đó ở những sóng
dài hơn 10 m. Ở tầng điện ly là môi trường không đồng nhất nên nó có
khả năng khuếch tán sóng truyền đến những sóng ngắn hơn 10m.
Như vậy, những sóng vô tuyến điện được truyền đi

do sự phản xạ (một lần hoặc nhiều lần ), hoặc do
khuếch tán từ tầng điện ly gọi là sóng điện ly.
VII . Truyền sóng của những dải sóng khác nhau.
1. Đặc điểm lan truyền của sóng dài và sóng cực dài.
Từ việc truyền sóng ở trên mặt đất tầng đối lưu, tầng điện ly ở
phần trước ta sẽ rút ra kết luận cho việc truyền sóng của từng dải trong
phương thức nào cho thích hợp.
Đối với sóng dài và sóng cực dài, mặt đất có tính dẫn điện tốt.
Do đó khi truyền sóng theo phương thức sóng đất nó sẽ bò mặt đất hấp
thụ ít hơn đối với sóng trung và sóng ngắn. Mặt khác, do bước sóng
của dải sóng này khá lớn có thể so sánh với độ cong mặt đất nên sóng
mặt đất có thể lan truyền theo phng thức nhiễu xạ. Uốn cong theo
mặt đất và đạt cự ly khá lớn. Do những lý do trên sóng dài và sóng
cực dài có thể truyền lan theo phương thức sóng đất để đạt đến những
cự ly khoảng 3000 km.
Với những cự ly lớn hơn 3000 km phải thực hiện sự truyền
sóng bằng tầng điện ly vì bước sóng lớn nó bò tầng điện ly hấp thụ
mạnh nên người ta ít sử dụng.
Khi lan truyền sóng dài và cực dài, người ta quan sát còn thấy
hiện tượng đối cực. Biết rằng, càng đi xa đài phát thì cường độ trường
càng giảm nhỏ. Nhưng nếu tăng cự ly lên nữa thì sẽ đến một miền mà

ở đó cường độ trường lại tăng lên. Miền này nằm đối diện với đài phát
qua tâm trái đất và gọi là miền đối cực.
Sóng dài và sóng cực dài không bò hiện tượng fading so với
các sóng khác nó truyền đi không được xa nhưng có ưu điểm là ổn
đònh.
Ở các nước ôn đới người ta sử dụng các loại sóng này dùng cho đài
phát thanh đòa phương và thông tin cự ly gần không quá 1000 km.
Ở các nước nhiệt đới như Việt Nam sóng này bò ảnh hưởng nhiều của điện

trời (sầm sét, giông bảo, sự phóng điện của khí quyển ) nên không được sử
dụng

2. Đặc điểm truyền của sóng trung :
Sóng trung được ứng dụng chủ yếu trong truyền thanh, nó thể
lan truyền bằng sóng đất như sóng điện ly.
Cự ly truyền lan của sóng trung bằng phương thức sóng đất không
vượt quá 500km đến 700 km , với cự ly lớn hơn phải truyền lan bằng
tầng điện ly .
Sự biến đổi điều kiện truyền sóng về ban đêm và ban ngày.
- Ban đêm sóng trung truyền lan bằng cách phản xạ trên lớp E
(lớp E mật độ điện tử tương đối lớn ) nên về ban đêm có thể thực hiện
bằng cả sóng đất lẫn sóng trời.
- Ban ngày do sự xuất hiện của lớp D (có mật độ điện tích nhỏ
)nên sóng này sẽ cho truyền qua và chòu sự hấp thụ rất mạnh. Ban
ngày chỉ có hiệu quả đối với sóng đất.
Sự nhiễu loạn của điện ly không có ảnh hưởng đến
sóng trung vì sóng phản xạ ở lớp E là lớp rất ít bò
phá hoại trong thời gian bảo điện ly.


Hiện tượng fading của sóng trung :
Ở cự ly ngắn hiện tượng fading là hiện tượng giao thoa gọi là sóng
đất và sóng trời.
Ở cự ly xa hiện tượng fading là do giao thoa giữa sóng trời và sóng
trời tại điểm thu. Do mặt tầng điện ly thay đổi theo chiều cao, phản xạ
của sóng cũng biến đổi dẩn đến sự thay đổi quãng đường đi của sóng.
3. Đặc điểm truyền lan của sóng ngắn :

Sóng ngắn có thể truyền lan bằng sóng đất và sóng điện ly.

Khi tần số tăng sự hấp thụ của mặt đất đối với sóng mặt đất sẽ tăng.
Vì vậy, đối với sóng ngắn nếu dùng đài phát có công suất trung bình
chỉ có thể truyền lan được bằng sóng đất trong cự ly không vượt quá
vài chục km.
Đối với cự ly lớn phải truyền sóng bằng sóng điện ly. Khi ấy có thể
dùng máy phát có công suất trung bình cũng có thể thông tin được và cự ly
rất xa tới hàng nghìn km.