TIỂU LUẬN CUỐI kỳ môn học anten truyền sóng phân tích các đặc tính của anten và áp dụng cho anten parabol

Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạcủa anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách khôngđổi, được ký hiệu là fθ,φ được biểu thể

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LÊ HUỲNH LAM

TIỂU LUẬN CUỐI KỲ

Môn học: Anten truyền sóng

Lớp: 18ĐHĐT02 - 010100020002

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2021

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LÊ HUỲNH LAM

TIỂU LUẬN CUỐI KỲ

Môn học: Anten truyền sóng

Lớp: 18ĐHĐT02 - 010100020002

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2021

Thông tin chung

Lời nói đầu

Em xin cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Lành đã hỗ trợ, giảng dạy, hướng dẫn em thựchiện tiểu luận môn Anten truyền sóng Qua quá trình học tập, em đã nắm được

cơ sở lý thuyết, các vận dụng thực tế của Anten trong việc thực hiện thu và truyền sóng Tiểu luận này chúng ta cùng tìm hiểu và nghiên cứu, phân tích các đặc tính của Anten nói chung và áp dụng cho Anten Parabol Trong ngành viễn thông, việc tính toán các đặc tính, phối hợp trở kháng là điều bắt buộc Anten Parabol được sử dụng nhiều trong thu tín hiệu tại các hộ gia đình (truyền hình kênh K+), hay Anten có kích thước lớn sử dụng trong thu tín hiệu vệ tinh

1

Chương 1 Các đặc tính của Anten

Để đánh giá, lựa chọn, áp dụng vào sử dụng thực tiễn thì cần nắm được lýthuyết, đặc tính, tham số Sau đây là các tham số cơ bản của Anten

1) Trường điện từ và công suất trường điện từ bức xạ từ anten

- Vector mật độ công suất:

Trong hệ tọa độ cầu: d Ω=sinθ dϕdθ

- Góc khối của anten là một góc khối theo chum chính của anten đang khảo sát.Công suất chảy qua góc khối đó bằng với toàn bộ công suatas bức xạ củaanten Với giả thuyết là cường độ bức xạ phân bố trong góc khối phân bố đều

và có độ lớn bằng cường độ bức xạ cực đại của anten đang khảo sát

- Cường độ bức xạ: là công suất trên một đơn vị góc khối theo hướng đó

U (θ , ϕ)=r2W ( ⃗r)

- Công suất bức xạ từ anten:

P R=∯U (θ , ϕ) d Ω

2

2) Trở kháng và hiệu suất anten

Công suất từ máy phát đưa ra cho Anten sẽ gặp tổn hao do nhiệt bởi vật dẫn,mất mát do cảm ứng và che chắn bởi các linh kiện phụ Khi tới Anten, công suấtbức xạ là:

 P bx là công suất Anten bức xạ

 P A là công suất máy phát đưa tới Anten

 P th là công suất tổn hao

 P slà công suất nguồn với Zs là trở kháng nguồn

Tổn hao khi bức xạ ta có thể xem tương đương như 1 điện trở R th còn điện trởtượng trưng, có thể dùng để đánh giá khả năng bức xạ của anten: R bx

3) Sự phân cực

Khi quan sát trường bức xạ ở vùng xa Anten Tai vị trí quan sát có thể xemnhư trường bức xạ của anten là sóng phẳng: vector truyền điên E và trường từ Hvuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng Khi quan sát dọctheo hướng truyền sóng có thể vector trường cố định hoặc quay

- Nếu phương cố định: phân cực tuyến tính

- Nếu phương vẽ thành vòng tròn: phân cực tròn

- Nếu phương vẽ thành elip: phân cực elip

Sự đặc trưng phân cực của anten thể hiện qua vector phân cực:

4) Hàm tính hướng:

Hàm tính hướng là một thông số đặc tả hướng tính của anten Anten đó bức

xạ vô hướng hay có hướng, ở hướng nào là cực đại từ đó xác định đúng vị trí đặtanten

Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạcủa anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách khôngđổi, được ký hiệu là f(θ,φ) được biểu thể hiện ở dạng sau:

Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng là hàm vecto phức, bao gồm cácthành phần theo θ và φ:

5) Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng

Đồ thị phương hướng biểu diễn quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặccông suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cáchkhảo sát cố định Đồ thị có 3 chiều, dạng hình khối Để đơn giản đồ thị phươnghướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa và được gọi là đồthị phương hướng chuẩn hóa của anten Giá trị bức xạ thay đổi theo sự biến đổicủa góc phuong hướng khác nhau Đẻ đánh giá dạng của đồ thị, ta sử dụng kháiniệm độ rộng búp sóng Góc giữa hai hướng àm theo hai hướng dó cường độtrường hoặc công suất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định Có nhiều cách đánhgiá độ rộng búp sóng, Độ rộng búp sóng nửa công suất là góc giữa hai hướng màtại đó công suất giảm đi ½ so với công suất tối đa Nếu theo giá trị của cường độ,

độ rộng búp sóng ứng với điểm mà tại đó cường độ bằng ½ cường độ bức xạ cựcđại

Nếu tính theo đơn vị độ mạnh decibel, khi tỉ số công suất ½ tức là công suấtgiảm 10lg(1/2)= 3dB Như vậy độ rộng búp song thể hiện tính chất tập trungnăng lượng bức xạ theo một hướng nào đó Góc giữa 2 hướng càng bé thì antentập trung nặng lượng bức xạ càng mạnh

6

Độ rộng nửa công suất(HPBW): số đo góc bao quanh hướng bức xạ cực đại với cường độ bức xạ chuẩn hóa của anten là lớn hơn ½

Góc giữa những giá trị hàng đầu không đầu tiên (BWFN): góc giữa các giá trị không đầu tiên của đồ thị cường độ bức xạ kẻ với búp chính

9

6) Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại của anten

Bên cạnh thông số về độ rộng búp sóng, người ta còn dựa vào hệ số hướngtính và hệ số khuếch đại Các thông số này cho ta biết tính phương hướng vàhiệu quả bức xạ của anten so với anten lý tưởng (anten chuẩn) Từ đó lựa chọnanten phù hợp với tuyến thông tin

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất tối đa 100% và năng lượng đồng đều tạimọi hướng

- Hệ số hướng tính:

Đây là tỉ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng đó so với mật

độ công suất bức xạ chuẩn cùng hướng với điều kiện công suất, khoảng cáchnhư nhau

Cường độ bức xạ anten chuẩn:

- Hệ số khuếch đại (độ lợi): là khái niệm được sử dụng trong thực tế hơn hệ

số D Thể hiện đầy đủ độ hướng tính và cả hiệu suất của anten:

P L=q r.P c

Với P c là công suất anten thu được

và q r là hệ số tổn hao, q r=1với phối hợp trở kháng máy thu

q r= 4 R A R L

|Z L+Z A|2

Mối liên hệ giữa công suất thu và công suất phát:

Công thức truyền dẫn Friis

P L=λ2e r q r D r(θ r , ϕ r)|⃗p r(θ r , ϕ r) ⃗ p t(θ t , ϕ t)|2D t(θ t , ϕ t)e t q t P s

(4 πr)2

e r q r: Hệ số thể hiện mất mát của phía thu

e t q t: Hệ số thể hiện mất mát của phía phát

|⃗p r(θ r , ϕ r) ⃗ p t(θ t , ϕ t)|2: Hệ số thể hiện mất mát do mất phối hợp phân cực của tuyến

anten

λ2

(4 πr )2: Hệ số mất mát không gian

11

Chương 2 Anten Parabol (Anten chảo)

Anten phản xạ hình parabol thường được gọi là anten chảo cung cấp giảipháp anten thu phát Very High Frequency (VHF) hoặc các hệ thống yêu cầu độlợi lớn và định hướng

1) Giới thiệu chung về Anten Parabol

Anten chảo là dạng anten được sử dụng phổ biến trong thu sóng truyền hìnhnội đia, liên kết dữ liệu viba mặt đất, thông tin liên lạc vệ tinh chung và nhiềuhơn nữa

Kích thước của nó quyết định dải băng thông, thường bị giới hạn để sử dụngtrên 1GHz, mặc dù các ăng-ten lớn hơn có thể được sử dụng cho các tần sốxuống khoảng 100MHz

Anten phản xạ parabol hoặc anten đĩa được biết đến với hình dạng đặc biệt,

độ lợi cao và đường truyền tia hẹp Anten chảo thường có độ lợi cao (30-40 dB)

và phân cực chéo thấp

12

2) Cấu tạo, đặc điểm của Anten Parabol

 Anten bao gồm 2 thành phần chính trong tất cả các loại Anten chảo:

- Hệ thống bức xạ: Phần tử bức xạ bên trong ăng ten phản xạ parabol cóthể có nhiều dạng khác nhau Trong một số ăng-ten, nó có thể là mộtlưỡng cực đơn giản, ở một số ăng-ten khác là một Anten Horn Mụcđích của nó là bức xạ vào tấm phản xạ với mật độ bức xạ đồng đều

- Bộ phản xạ hình parabol: Bộ phản xạ là bộ phận đặc biệt của ăng tenphản xạ hình parabol Hình dạng parabol là chìa khóa cho hoạt độngcủa anten RF vì các đường dẫn được lấy từ tiêu điểm đến gương phản

xạ và sau đó ra ngoài song song với nhau

 Phản xạ parabol được hình thành từ một hình dạng được gọi là paraboloid.Hình dạng này tạo thành bề mặt phản xạ trong anten cho phép các sóngphản xạ bởi bề mặt giữ lại mối quan hệ pha của chúng, do đó cho phép thuđược độ lợi lớn nhất Nói cách khác, năng lượng RF dưới dạng sóng điện

từ truyền về phía anten trong mặt phẳng sóng sẽ bị phản xạ phản xạ và duytrì cùng pha tại tiêu điểm Bằng cách này, toàn bộ tín hiệu vẫn trong pha

và không có bị triệt tiêu Điều này có nghĩa là tín hiệu tối đa được duy trì

 Các thông số của Anten Parabol:

- Tiêu điểm: Là điểm mà tại đó mọi tín hiệu đến đều được tập trung Khibức xạ từ điểm này, các tín hiệu sẽ được phản xạ bởi bề mặt phản xạ vàtruyền theo một chùm song song và để cung cấp độ lợi và độ rộngchùm tia cần thiết

- Đỉnh (Vertex): Là điểm trong cùng ở tâm của mặt phản xạ hìnhparabol

- Độ dài tiêu cự (Focal length): Là khoảng cách từ tiêu điểm đến đỉnhcủa nó

13

- Khẩu độ cái có thể được gọi là "độ mở" của nó hoặc khu vực mà nóbao phủ Đối với gương phản xạ hình tròn, điều này được mô tả bằngđường kính của nó Nó có thể được ví như khẩu độ của ống kính quanghọc.

- Độ lợi: là một trong những thông số quan trọng và nó phụ thuộc vàomột số yếu tố bao gồm đường kính đĩa, bước sóng và các yếu tố khác

- Hệ thống cấp liệu: Bộ phản xạ hình parabol hoặc anten chảo có thểđược cấp theo nhiều cách khác nhau Nguồn cấp dữ liệu trục hoặc phíatrước, lệch trục, Cassegrain và Gregorian là bốn phương pháp chínhVới các hệ thống thu truyền hình trong nước sử dụng 2 thành phần: điểm bức

xạ và gương phản xạ kết hợp là loại hình đơn giản và hiệu quả nhất, mặc dùkhông giống hoàn toàn so với anten Parabol truyền thống Vì các hộ gia đình cầngiải pháp tối ưu hóa số tiền bỏ ra, hạn chế về cơ học, sản xuất và kích thước

14

3) Độ dài tiêu cự

- Không giống anten lưỡng cực thường dài khoảng một nửa bước sóng,đĩa phản xạ phải lớn hơn nhiều so với kích thước bước sóng Đĩa cóđường kính có thể là vài bước sóng, Khoảng cách giữa anten nguồn cấp

dữ liệu và bộ phản xạ thường là vài bước sóng

- Khoảng cách từ tiêu điểm tới mọi điểm trên bề mặt của hệ thống phản

4) Xác định độ lợi của anten Parabol

Độ lợi của anten chảo được tính toán xác định từ các mối quan hệ với đườngkính chảo, bước sóng,… Đại lượng độ lợi quyết định quan trọng trong việc xâydựng một hệ thống anten Parabol

Tại tần số microwave, anten Parabol phù hợp với việc hoạt động trong điềukiện khắc nghiệt ngoài trời với mức khuếch đại rất cao, mạnh mẽ, hơn nhiềuanten không có khả năng này trong tàn số microwave

Các yếu tố quyết định độ lợi:

- Đường kính của bề mặt phản xạ: tỉ lệ thuận với độ lợi, đường kính cànglớn thì độ lợi càng lớn

- Bước sóng hoạt động: tỉ lệ nghich với độ lợi, cùng một bộ phản xạđược sử dụng trên 2 tần số khác nhau, sẽ cho độ lợi khác nhau

- Hiệu suất của anten: ảnh hưởng đáng kể (50-70%) đến hệ số khuếchđại

5) Hiệu suất tăng ích k được xác định dựa vào thực tế:

k s,hiệu xuất bức xạ khẩu độ: 1 một anten có độ lợi lớn nhất khi E-field đồngnhất về biên độ và pha trên toàn bề mặt phản xạ Tuy nhiên càng về cạnh thì bức

xạ ít hơn so với trục trung tâm của bề mặt phản xạ dẫn đến độ lợi thấp và sự mấtmát được ghi nhận trong hiệu suất này

k m, hiệu suất được sử dụng để biểu diễn tổng hợp đa dạng các thành phần làmsuy giảm độ lợi khó xác định:

- Lỗi bề mặt: sự chính xác của bề mặt phản xạ ảnh hưởng tới độ lợi, đặcbiệt với tần số cao có bước sóng nhỏ

- Phân cực chéo: sự phân cực của tín hiệu truyền và thu phải phù hợp,không sẽ có suy hao bằng với sin góc giữa các phân cực

- Che khẩu độ: cấu trúc vật lý để giữ nguồn cấp dữ liệu che khuất môt sốbức xạ từ gương phản xạ

- Non-single tiêu điểm: tiêu điểm của gương phản xạ là một điểm duynhất, Tuy nhiên anten thường mở rộng ra bên ngoài tiêu điểm của bộphản xạ

17

6) Tính toán độ rộng tia anten parabol

Độ rộng chùm tia được định nghĩa là các điểm mà công suất giảm xuống cònmột nửa mức cực đại, tức là các điểm -3dB trên biểu dộ của mẫu bức xạ

ψ= 70 λ

D

7) Hệ thống cấp dữ liệu (Feed Systems)

Đây là một số loại hệ thống cấp nguồn phản xạ khác nhau được sử dụng mỗiloại có đặc điểm riêng, có thể phù hợp với các yêu cầu của ứng dụng

- Focal feed system: bao gồm một phần tử bức xạ có thể là một dipoleđơn giản hoặc một anten horn, được đặt tại tiêu điểm Phần tử bức xạchiếu vào bề mặt phản xạ, phản xạ năng lượng đi ra khỏi anten Dạngnày được sử dụng phổ biến vì đơn giản nhưng có nhược điểm là cấutrúc chặn một số chùm tia làm giảm hiệu suất còn 55-60%

18

- Cassegrain feed system: phức tạp hơn so voi focal feed system do yêucầu bề mặt phản xạ thứ hai nhưng có ưu điểm là chiều dài tổng thểngắn hơn chiều dài giữa phần tử bức xạ và gương phản xạ, làm ngắn đichiều dài vật lý Hiệu suất 65-70%

- Gregorian parabol reflector feed: giống với Cassegrain nhưng gươngphản xạ thứ cấp là dạng lõm Hiệu suất được cải thiện trên 70%

19

- Offset feed system: nguồn cấp dữ liệu được bù đắp tại tâm của chảo anten Gương phản xạ được sử dụng chỉ bằng ½ hình parabol so với gương thông thường Bằng cách này tiêu điểm và anten được đặt ở mộtbên của bề mặt phản xạ Ưu điểm là di chuyển tiêu điểm ra khỏi đường

đi của chùm tia tránh chặn chùm tia Hệ thống này được sử dụng nhiều

ở anten truyền hình vệ tinh gia đình

20

Ví dụ: cho một chảo Parabol với đường kính 90cm, chảo sâu 20cm, tần số hoạt động 10GHz Xác định độ lợi (gain), độ rộng tia (beamwidth), độ dài từ tiêu điểm đến tâm chảo, giả sử hiệu suất chiếu sáng từ tiêu điểm đến chảo là 70%Giải:

Mô phỏng 1 ví dụ khác bằng phần mềm CST Studio Suite 2019:

1) Thiết kế mặt gương Parabol từ đồ thị A∗t2 và đường tròn bán kính 81mm2) Thiết kế 1 Horn antenna cách gương 1 đoạn F

22

8) Ưu nhược điểm của Anten Parabol

Ưu điểm:

- Độ lợi lớn: kích thước gương phản xạ càng lớn độ lợi càng lớn

- Độ tính hướng cao: độ lợi càng cao, độ rộng chùm tia càng hẹp, lợi thếnày tránh gây nhiễu cho người khác và quan trọng là trong giao tiếp vệtinh, vì cho phép vệ tinh sử dụng dải tần số được phân tách theokhoảng cách, góc ngẩng anten

Nhược điểm:

- Chi phi cao

- Kích thước lớn hơn so với các loại anten khác

- Yêu cầu bộ feed system phải đặt tại tiêu điểm của bộ phản xạ

9) Ứng dụng trong thực tế:

Có nhiều lĩnh vực trong viễn thông sử dụng như

- Truyền hình vệ tinh: hình thức phân phối chủ yếu đối với truyền hình.Truyền hình phủ sóng rộng, kiểm soát được và băng thông lớn chophép phát nhiều kênh hơn

- Các liên kết viba: cung cấp nền tảng cho các hệ thống viễn thông di động

- Truyền thông qua vệ tinh: nhờ đặc tính độ lợi cao, ít ảnh hưởng các vệ tinh khác trong khu vực

- Thiên văn học: đòi hỏi độ thu và tính hương cao

23