Tài liệu Trường điện từ và kỹ thuật anten

TRƢỜNG 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 CHƢƠNG I. SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG CHƢƠNG II. LÝ THUYẾT VÀ KỸ THUẬT ANTEN CHƢƠNG 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 (3.108 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.c2 (J) • W: năng lượng; • m: Khối lượng (kg); • c: Vận tốc ánh sáng (m/s). Hệ phƣơng trình Maxwell • Phương trình Maxwell thứ nhất: E rotH  J T  J d   t J T  J d  J dich Trong đó: H : Cường độ từ trường (A/m); 2); : Mật độ dòng điện dẫn (A/m Jd   E E : Cường độ điện trường (V/m);  : Hằng số điện môi (F/m);  : Điện dẫn suất (S/m); Ý NGHĨA PHƢƠNG 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 phƣơng trình Maxwell • Phương trình Maxwell thứ hai: H rotE    t Trong đó:  : Độ từ thẩm của môi trường (A/m); Ý NGHĨA PHƢƠNG TRÌNH MAXWELL THỨ HAI • Từ trường biến đổi theo thời gian sẽ tạo ra điện trường. Hệ phƣơng trình Maxwell - Phương trình Maxwell thứ ba: div E    : Mật độ điện tích - Phương trình Maxwell thứ tư: div H  0 ý nghĩa: Là hai phương trình xác định mật độ nguồn của điện trường và từ trường • Hệ hƣơng trình Maxwell đầy đủ E rotH  J d   t H rotE    t div E   div H  0 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: Q   J .E .dV  dW dt  Q    dS S : Công suất tổn hao dưới dạng nhiệt của dòng V điện trong thể tích V. S: Diện tích mặt giới hạn bởi đường vòng dây dẫn l.   E  H : vecto mật độ thông lượng năng lượng chảy qua mặt S trong đơn vị thời gian (vectơ poynting) Định lý Poynting Chiều của vectơ poynting là chiều dịch thuận theo quy tắc vặn nút chai từ E sangH (hay quy tắc bàn tay trái) với góc quay nhỏ nhất. E H  Năng lượng trường điện từ chảy qua một đơn vị thời gian được xác định:   E.H ; W/m2. 1.1. Sóng điện từ 1.1.1. Sóng điện từ phẳng a. Khái niệm: Sóng điện từ tạo ra các vectơ điệnE và từH 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 trƣờng 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. 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 900 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 trƣờng 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 hƣớng - 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.