ANTEN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH

ANTEN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

ĐỖ ĐỨC LƯƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ANTEN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH

HẢI PHÒNG - 2015

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

ĐỖ ĐỨC LƯƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ANTEN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG MÃ SỐ: D52027

CHUYÊN NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Việt

HẢI PHÒNG - 2015

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Hàng Hải,

và được sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trần Xuân Việt em đã thực

hiện đề tài “Anten hệ thống vô tuyến truyền hình”.

Để hoàn thành đề tài này thì em xin chân thành cảm ơn các thầy cô hướngdẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học vừa qua, nghiên cứu và rèn luyện ởtrường Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trần Xuân Việt

đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành được đề tài này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất.Song em mới tập tìm hiểu về một vấn đề và kinh nghiệm nghiên cứu cũng nhưthực tiễn chưa có, một mặt cũng hạn chế về kiến thức chuyên môn Vậy nênkhông thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân em chưa nhận ra

Em rất mong được sự góp ý của thầy cô giáo và các bạn sinh viên để đề tài đượchoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Đỗ Đức Lương

i

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan:

1 Những nội dung trong luận văn này là do em thực hiện đánh máy hoàntoàn và dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Xuân Việt

2 Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được thực hiện, trích dẫn rõ ràngtheo đúng quy định của nhà trường

3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo em xin chịu hoàntoàn trách nghiệm

Sinh viên

Đỗ Đức Lương

MỤC LỤC

Trang

PHẦN MỞ ĐẦU iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v

CHƯƠNG I: VẤN ĐỀ CƠ BẢN NHẤT VỀ ANTEN 1

1.1 Giới thiệu sơ lược về anten 1

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của anten 1

1.1.2 Giới thiệu về hệ thống thu phát 2

1.1.3 Anten trong hệ thống vô tuyến điện 3

1.1.4 Những yêu cầu cơ bản nhất của anten 5

1.2 Vấn đề cơ bản về anten 7

1.2.1 Quá trình bức xạ sóng điện từ 7

1.2.2 Hệ phương trình Maxwell 7

1.2.3 Một số thông số cơ bản của anten 9

1.2.4 Các hệ thống anten 15

CHƯƠNG II: ANTEN THU CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH 17

2.1 Lý thuyết về anten thu 17

2.1.1 Chấn tử đối xứng làm việc ở chế độ thu 17

2.1.2 Áp dụng nguyên lý tương hỗ để tìm hiểu tính chất chung cảu anten thu 20

2.1.3 Công suất tải anten thu 22

2.2 Một số loại anten thu trong hệ thống vô tuyến truyền hình 24

2.2.1 Anten Yagi 24

2.2.2 Anten loga chu kỳ 26

2.2.3 Anten sóng chạy 28

CHƯƠNG III: ANTEN YAGI 30

3.1 Anten Yagi 30

3.1.1 Cấu tạo 30

3.1.2 Tiếp điện cho anten Yagi bằng cáp đồng trục 32

3.1.3 Các đặc trưng tham số của anten 33

iii

3.2 Mô phỏng hàm phương hướng của anten Yagi 35

3.2.1 Trường hợp h = 0 38

3.2.2 Trường hợp h ≠ 0 45

3.3 Tính toán các thông số của anten Yagi 49

3.3.1 Tính trở kháng vào của anten Yagi 50

3.3.2 Tính hệ số định hướng tác dụng 53

KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤC LỤC 1 57

PHỤC LỤC 2 61

PHẦN MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí củacon người ngày càng cao và thật sự cần thiết Bằng cách sử dụng các hệ thốngphát, thu vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của conngười ở khoảng cách xa một cách nhanh chóng và chính xác.

Bất cứ hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng anten để phát hoặc thutín hiệu Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta dễ dàng bắt gặp rất nhiều các

hệ thống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, hệ thốnganten dùng cho truyền hình vệ tinh, các BTS, dùng trong mạng điện thoại diđộng, Hay đến những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại di động,radio, cũng đều sử dụng anten

Qua việc tìm hiểu về lý thuyết và kỹ thuật anten sẽ giúp ta nắm bắt đượccác cơ sở lý thuyết anten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp

đo các tham số cơ bản của các loại anten thường dùng Do vậy đi đến tìm hiềucác anten thu hình điển hình

Mục đích đề tài là tìm hiểu về lý thuyết anten, phương pháp tính của antenYagi cũng như anten parabol Vậy nên giới hạn của đề tài chỉ là trong phạm vihẹp tìm hiểu về anten Yagi và Parabol phần lý thuyết có quan

v

CHƯƠNG I: VẤN ĐỀ CƠ BẢN NHẤT VỀ ANTEN

1.1 Giới thiệu sơ lược về anten.

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của anten.

Anten là thiết bị thu nhận hoặc phát ra sóng điện từ hay là các thiết bị thuhoặc phát năng lượng điện từ trường trong khoảng không gian và trong khoảngcách nhất định Dùng để truyền năng lượng giữa bên phát và bên thu mà khôngcần các đường truyền bằng dây như cáp đồng, sợi quang,… hay các ống dẫnsóng để truyền tải năng lượng

Trong nhiều ứng dụng, các anten có thể cạnh tranh với các phương tiệntruyền dẫn khác để phát hoặc thu nhận năng lượng điện từ trường Thường thìsuy hao trường điện từ trong các vật liệu truyền dẫn sẽ tăng nhanh theo tần số.Điều này có thể hiểu đơn giản rằng, khi mà tần số làm việc tăng lên thì việcdùng các vật liệu dẫn sóng sẽ kém hiệu quả và chất lượng trong việc truyền tảinăng lượng Hay hiệu suất tăng theo tần số Do vậy, thực tế anten được sử dụngrộng dãi trong quá trình truyền tải năng lượng điện từ ở các dải tần số cao trongtừng ứng dụng nhất định Tùy vào loại anten mà ta dùng trong các trường hợp cụthể để truyền hay thu nhận năng lượng

Sóng điện từ là nền tảng của lý thuyết anten và được xây dựng trên cơ sởcác phương trình cơ bản của điện từ học Maxwell là người đã hệ thống mộtcách khái quát toàn bộ lý thuyết trên thành hệ phương trình cơ bản và quan trọng

là hệ phương trình Maxwell Ta có các cột mốc đáng chú ý trong quá trình hìnhthành và phát triển của anten:

1

 Năm 1886: nhà vật lý người Đức Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận vàthực nghiệm đã chứng tở rằng nếu dùng một mạch dao động hở với lưỡngcực Hertz thì ở vùng xa lưỡng cực sẽ hình thành trường phát ra.

1897 Popob nhà phát minh vô tuyến điện người Nga đã dùng các dụng cụnày làm phương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn và có khảnăng truyền các tín hiệu ở khoảng cách 3 dặm

lớn Hệ thống này hoạt động ở tần số khoảng 60KHz

điện báo Trong năm 1916, lần đầu tiên sử dụng tín hiệu đã điều chế biên

độ để truyền tín hiệu thoại qua sóng vô tuyến

phát ra tín hiệu với tần số lên đến GHz

thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền hình, truyền thanh, thiên văn, điềukhiển từ xa,…

1.1.2 Giới thiệu về hệ thống thu phát.

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến điện, thông tin liênlạc bằng anten được dử dụng rất phổ biến và rộng rãi trong đa số lĩnh vực Và ta

có hệ thống thu phát đơn giản hóa bằng các khối sau đây:

Hệ thống

cung cấp

tín hiệu

Hệ thống bức xạ

Hệ thống gia công tín hiệu

Hệ thống cảm thụ bức xạ

Anten thu

Hình 1.1 Sơ đồ hệ của hệ thống thu phát tín hiệu.

Từ sơ đồ trên ta có thể nhận thấy hệ thống anten bên phát đóng vai trò chủyếu là bức xạ sóng điện từ vào trong không gian Bằng cách nó biến đổi các tínhiệu điện thành dạng năng lượng điện từ lan truyền trong không gian Khi gặpphải anten thu thì năng lượng điện từ lại được biến đổi thành các tín hiệu điệnthích hợp rồi đưa đến máy thu và dạng tín hiệu được trở về dạng ban đầu gầngiống như bên phát

3

1.1.3 Anten trong hệ thống vô tuyến điện

Việc truyền năng lượng điện từ vào trong không gian thực hiện bằng haicách thông thường sau Một trong hai đường truyền là dùng một loạt các dâydẫn để truyền dẫn như dây song hành, cáp đồng trục hay là ống dẫn sóng,… vậnchuyển năng lượng sóng điện từ trực tiếp trên đó dưới dạng dòng điện Sóngđiện từ lan truyền trong hệ thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữutuyến)

Cách truyền này tuy có độ chính xác cao nhưng phí vào dây truyền, sửachữa, lắp đặt,… xây dựng một hệ thống truyền tải là vô cùng tốn kém Thêm vào

đó khoảng cách quá xa nếu trên các vùng cao hay địa hình rất phức tạp khôngthể xây dựng các đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này rất “tối” Vì thế

mà thay vào đó người ta cho sóng điện từ bức xạ vào trong không gian tự do.Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do hay gọi là vô tuyến từ tạmphát đến điểm thu Do vậy, ta cần một thiết bị có thể phát sóng điện từ vào trongkhông gian tự do và thu nhận được hay cảm nhận được sóng điện từ tự do trongkhông gian đưa vào máy thu Thiết bị này loại này gọi là anten

Anten là một bộ phận không thể tách rời của bất kỳ một hệ thống phátthanh vô tuyến nào Vì nó đã sử dụng sóng điện từ để truyền tải thông tin thìkhông thể không dùng đến thiết bị (anten) bức xạ hay thu nhận sóng điện từ

Ví dụ, một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm có máy phát +anten phát, máy thu + anten thu Thường thì giữa máy phát và anten phát cũngnhư bên máy thu và anten thu không được nối trực tiếp với nhau mà được ghép

thông qua một hệ thống đường tuyền năng lượng điện từ gọi là phi đơ Ngoài racòn có còn một số hệ thống phụ trợ khác như bộ phối hợp trở kháng,… Trong hệthống này thì máy phát tạo ra dao động điện cao tần đi qua phi đơ tới anten phátdưới dạng sóng điện từ rằng buộc với nhau Anten phát có nhiệm vụ bức xạ sóngđiện từ sau khi được biến đổi vào trong không gian Cấu tạo cũng như đặc điểmanten sẽ quyết định đến đặc tính biến đổi năng lượng điện từ trường nói nhưtrên.

Trong khi anten phát có nhiệm vụ chính là bức xạ sóng điện từ máy phátđến máy thu Thì anten thu lại ngược lại với anten phát là tiếp nhận sóng điện từ

tự do trong không gian và biến đổi chúng thành sóng điện từ giàng buộc Sóngnày sẽ được đưa đến máy thu thông qua phi đơ, còn một phần sẽ bức xạ trở lạivào không gian gọi bức xạ thấp Yêu cầu của thiết bị anten-phi đơ là phải thựchiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không gây raméo dạng tín hiệu

Anten được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau thì đồng thời

có yêu cầu khác nhau trong mọi trường hợp Với trạm phát thanh và vô tuyếntruyền hình thì cần anten bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang, để cho antenđặt mọi hướng đều có thể thu được tín hiệu từ trạm phát Song anten lại cần bức

xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất

để các trạm thu hay thiết bị thu trên mặt đất có thể nhận được gọi là hướng bức

xạ là cực đại nhất của trạm phát và giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo hướngkhác là không cần thiết

Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, radar, vô tuyến điều khiển, … thì yêucầu anten phát bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vàomột góc rất hẹp trong không gian Còn có thể hiểu là số lượng búp sóng chínhtăng nhưng phải hạn chế tối thiểu các búp sóng phụ tránh gây tổn hao về mặt

5

năng lượng lẫn hiệu suất Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ đơn giản làbiến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức xạsóng ấy theo những hướng nhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước.

Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ chế tạo trong các lĩnhvực thông tin, radar, … cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụbức xạ hay thu nhận sóng điện từ trong không gian tự do mà còn tham gia vàoquá trình gia công tín hiệu Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu làmột tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạhoặc là cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten, hệ thống cung cấp tín hiệuđảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầukhác nhau, hoặc hệ thống gia công tín hiệu

1.1.4 Những yêu cầu cơ bản nhất của anten.

Ta có một số yêu cầu cơ bản nhất như sau:

 Tính định hướng của anten.

Anten của các đài truyền thanh, truyền hình phải phát xạ đều theo mọiphía song song với mặt đất, còn radar thông tin thì cần phải phát xạ trong mộthình quạt hẹp nhằm để tập trung năng lượng về phía đài thu Anten cũng phảicần có tính chất thu định hướng nghĩa phải theo một hướng tối ưu nhất kết hợpvới tính chọn lọc của máy thu, tính chọn lọc theo hướng của anten là cách chốngnhiễu hiệu quả

 Phối hợp trở kháng.

Anten phải bảo đảm có khả năng thu và phát năng lượng được cực đại Và

ta có thể coi anten như một thiết bị phối hợp giữa phi đơ và không gian tự do

 Dải tần của anten.

Dao động của điện từ biến thiên và mang theo tin tức từ máy phát qua phi

đơ đến anten Để thông tin không bị ảnh hưởng bởi các yêu tố tác động vào thìanten phát ở dải tần nhất định Để chống nhiễu thường dùng phương thứcchuyển dời tần số công tác hoặc để phù hợp với điều kiện truyền sóng của cácđài liên lạc sóng ngắn phụ thuộc vào thời gian trong ngày là đêm hay ngày Dovậy, anten phải làm việc được ở các dải tần khác nhau mà không có sự thay đổiđáng kể về mặt chất lượng truyền tải

 Tính phân cực của anten.

Tùy vào yêu cầu cụ thể của anten đặt ở đâu như anten phải đặt trên vật thểbay thì phát xạ trường phân cực là tuyến tính thì để thu trường này anten thuphải có phân cực tròn hay phân cực elip Ngoài ra, để đảm bảo khả năng thôngtin theo kiểu tán xạ từ các miền bất đồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy caothì đặc trưng hướng của anten phải thay đổi theo một chương trình nhất định

1.2 Vấn đề cơ bản về anten.

1.2.1 Quá trình bức xạ sóng điện từ.

Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện từtrường biến thiên đều có khả năng bức xạ sóng điện từ Tuy nhiên trong thực tếbức xạ sóng điện từ chỉ xảy ra trong điều kiện nhất định

7

Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thướcrất nhỏ so với bước song Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thìtrong không gian của tụ điện sẽ phát sinh ra điện trường biến thiên, còn trongkhông gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên Nhưng điện từtrường này không bức xạ ra ngoài mà bị rằng buộc với các phần tử của mạch.Năng lượng điện trường được giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, cònnăng lượng từ trường chỉ nằm trong một vật thể tích nhỏ trong long cuộn cảm.

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều

và càng tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng khônggian bên ngoài Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng Khi đạttới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc vớinguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với diện tích của 2

má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành mộtđiện trường xoáy Theo quy luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy

sẽ tạo ra một từ trường biến đổi và từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điệntrường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ

Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong khônggian tự do được gọi là năng lượng bức xạ hay còn gọi năng lượng hữu công.Phần năng lượng điện từ rằng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công

´E=ℜ(´E e iωtωtt)= ´E cos ⁡(ωtt ) (1.1a) hoặc ´E=Lm(´E e iωtωtt)= ´E sin ⁡(ωtt) (1.1b)

Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

rot ´H=iωtωt ε p ´E+ ´J e (1.2a)

Biết rằng nguồn tạo ra điện từ là dòng điện và điện tích Nhưng trong một

số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán động lực học, người ta đưa thêmvào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích Khái niệm dòng

từ và từ tích chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên

Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell được viết tổngquát như sau:

rot ´H=iωtωt ε p ´E+ ´J e (1.4a)

1.2.3 Một số thông số cơ bản của anten.

Trong thực tế kỹ thuật của một anten bất kỳ có các thông số về điện

 Dải tần của anten.

a) Trở kháng vào của anten.

Z A=U A

I A =R A+j X A (1.5)Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào cấu tạo của anten vàtrong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten hay độ cao củaanten

b) Hiệu suất của anten.

11

Anten như là thiết bị chuyển đổi năng lượng Do vậy một thông số quan

η A=P b xạ

P A (1.7)

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất bên trong anten

là P t hao:

P A = P b xạ + P t hao (1.8)Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị

(hệ số khuếch đại) Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quảbức xạ của anten tại một điểm nào đó dưới sự tác động của nhiều yếu tố khácnhau trên cơ sở so sánh với anten anten chuẩn.

theo mọi hướng Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướnghoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng

khi chuyển từ anten có tính hướng sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao

13

Điều này có nghĩa là phải tăng lên D(θ1, φ1) lần công suất bức xạ P bx(0) củaanten vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị

E(θ1, φ1).

suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten

vô hướng để sao cho vẫn giữ nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng

d) Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten.

Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó antenphát hoặc thu tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơnhoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ Do vậy ta phải xác định đượctính hướng tính của anten Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số địnhhướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng củaanten và xét những yếu tố ảnh hưởng khác của anten như độ cao hay là cấu tạocủa từng anten

Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giátrị tương đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có

khoảng cách bằng nhau và được biểu thị trong hệ tọa độ góc hoặc tọa độ cựctương ứng với các phương của điểm xem xét.

0

30

60 57.44

90

120 122.56

150 180

150 120

90 60

30

122.56

57.44

1.0 1.5 2.0

D(isotropic)=1

D(dipole)

Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong tọa độ cực.

Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng 1như vậy được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa Nó cho phép so sánh đồthị phương hướng của các loại anten khác với nhau để tìm ra ưu điểm nổi trộinhất của từng anten và áp dụng vào trong từng lĩnh vực cụ thể Trong khônggian, đồ thị phương hướng của anten có dạng hình khối, nhưng trong thực tế chỉ

15

Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng khôngtheo sự biến đổi của các góc phương hướng khác nhau Để đánh giá dạng của đồthị phương hướng người ta đưa vào khái niệm búp sóng của đồ thị phươnghướng hay còn gọi là góc bức xạ Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữahai bán kính vector có giá trị bằng 0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà gócbức xạ còn được gọi là góc mở nửa công suất.

e) Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.

Công suất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham sốcông suất bức xạ đẳng hướng tương đương Ký hiệu là EIRP

Trong đó:

phát cung cấp cho anten vào búp sóng của anten Công suất bức xạ đẳng hướng

là công suất được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem

f) Tính phân cực của anten.

´

giá và xem xét theo sự biến đổi của vector điện trường Cụ thể là, hình chiếu củađiểm mút (điểm cực đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳngvuông góc với phương truyền lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng.

Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip, nếu hình chiếu là hìnhtròn thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì phân cực thẳng Tùyvào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực Ví dụ để truyền lan hoặc thusóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thànhphần thẳng đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phầnnằm ngang Hoặc để phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụnganten phân cực ngang bởi vì tổn hao thành phần ngang của điện trường bé hơnnhiều so với thành phần đứng

g) Dải tần của anten.

Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán củaanten nhận các giá trị trong giới hạn cho phép Các tần số lệch với tần số chuẩn

50% Thường thì dải tần công tác được chia làm bốn nhóm chính:

anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong hệ thống thông tin vệ tinh.

sóng vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ

Quy ước về các dải tần số:

thông tin duyên hải

sóng ngắn, hàng hải, hàng

không

thông tin di động, vệ tinh

(EHF)

Radar, thông tin vũ trụ

CHƯƠNG II: ANTEN THU CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TRUYỀN

HÌNH.

2.1 Lý thuyết về anten thu.

2.1.1 Chấn tử đối xứng làm việc ở chế độ thu.

phẳng tới có hình như sau:

z

l l

Hình 2.1 Chấn tử đối xứng trong sườn sóng tới.

Hình chiếu của vector điện trường lên trục chấn tử sẽ là:

E z= ´E ´iωt z (2.1)

Thành phần điện trường tiếp tuyến với mặt chấn tử tại điểm bất kỳ có tọa

độ z bất kỳ được tính:

E z(z )= ´E o e iωtkz cosθθ ´iωt z=E o sinθ e iωtkzcosθθ (2.2)

Bài toán đặt ra là cần phải xác định sức điện động cảm ứng và dòng trênenten thu Ta áp dụng nguyên lý tương hỗ để giải bài toán này Ta có nội dungnguyên lý như sau:

Mạng 4 cực 1

Khi đặt chấn tử vào trường sóng tới nào đó thì trên phần tử vi phân dz sẽxuất hiện một sức điện động:

21

d e z=E z dz (2.4)

e0= ∫

z=−1

z =1

E z f ( z ) dz (2.7)

ở chế độ thu của anten và được tính bằng biểu thức sau:

e0=−E0(π λ .

1−cos kl sin kl ). cos ( klcos θ)−cos kl

(1−cos kl) sin θ (2.9)

Trong đó:

F (θ )= cos(kl cos θ)−coskl

(1−cos kl )sin θ là hàm phương hướng chuẩn hóa của anten thu

L=(π λ .

1−cos kl sin kl ) là độ cao của anten thu

Do vậy ta có thể rút gọn biểu thức (3.9) thành như sau:

e0 =−E0 L F (θ) (2.10)

Sức điện động cảm ứng ở đầu vào phụ thuộc vào:

2.1.2 Áp dụng nguyên lý tương hỗ để tìm hiểu tính chất chung cảu anten thu.

Giả sử ta sử dụng hai anten một cho bên phát và một cho bên thu, đặttrong môi trường đẳng hướng trong không gian tự do Vậy nên ta có thể coi haianten là một mạng 2 cửa mà đầu vào và ra của nó các cực của hai anten

23

Gọi e1 là sức điện động của anten bên phát còn I2 là dòng nhận được ở tảicủa anten thu Ngược lại nếu bên phát là bên thu còn bên thu lại là phát thì ta

e1

I2=

e2

I1 (2.11)

W là trở kháng sóng của môi trường truyền dẫn

r là khoảng cách giữa anten phat với anten thu

Trường hợp 2: lúc này ngược lại với trường hợp 1 anten phát là anten thu

và anten thu lúc trước giờ là anten phát Từ đó ta xác định được sức điện độngcủa anten phát lúc này là:

e2= − ´E12Z24 πr iωtkW L2F´2(θ2, φ2)e−iωtkr (2.14)

Từ các phương trình (3.14) và (3.13) ta thay vào phương trình (3.11) ta cóđược:

I1´E21Z14 πr iωtkW L1F´1(θ1, φ1)e−iωtkr= I2E´12Z24 πr

iωtkW L2F´2(θ2, φ2)e−iωtkr (2.15)

´

E0L ´F (θ , φ)

Z là tổng trở của anten

L là chiều cao của anten

Ta thực hiện so sánh giữa công thức số (3.17) với (3.9) ta có được C = 1.Dòng điện thu được ở tải sẽ là:

I thu= ´E0L ´F (θ , φ)

Z (2.18)

đại khi |F (θ , φ)|=1 Lúc này |e0|max=|E0| L

Wπ - R bx là điện trở bức xạ củaanten

Vậy: |e0|max=|E0| λ√D max R bx

Wπ (2.19)

2.1.3 Công suất tải anten thu.

Để xác định xem anten thu hiệu quả hay không ta phải xác định đượccông suất và hiệu suất thu được trên tải anten Gọi trở kháng tải của anten là

Z t=R t+iωt X t Công suất tác dụng có ích trên tải của anten thu là:

|e0|2

|Z t+Z v|2 R t (2.21)

Do anten được phối hợp trở kháng với tải nên có X v=−X tvà R v=R t thaythế vào biểu thức (3.21) ta được:

P thu= 1 2

|e0|2

|2 R t|2 R t=

1 8

|e0|2

R t (2.22)

Trong trường hợp cường độ điện từ trường là cực đại thì lúc này công suấtcũng đạt cực đại Vậy ta kết hợp hai công thức số (3.22) với lại (3.19) ta sẽ cóđược công suất đạt cực đại:

Vậy công suất của anten thu cực đại tính như sau:

Trong trường hợp mà giữa tải và anten được nối nhau thông qua phi đơthì ta phải nhân thêm với hiệu suất của phi đơ vào trong công suất Mà biên độcường độ điện trường mà anten nhận được lại được tính bằng biểu thức sau:

|E0|2=W P phát

2 π r2 G phát η f phát (2.25)

R là khoảng cách từ anten phát đến anten thu

Vậy công suất thu cực đại của máy thu khi có phi đơ là

(P thu)max= 1

16 π2

P0λ2

r2 .(G thu)max .(G phát)max .η f phát η f thu

2.2 Một số loại anten thu trong hệ thống vô tuyến truyền hình.

2.2.1 Anten Yagi.

L dpx

ddx

Chấn tử phản xạ P

Chấn tử chủ động A Các chấn tử dẫn xạ D

Hình 2.3 Cấu trúc của Anten yagi.

tử phản xạ thụ động, một số lượng chấn tử dẫn xạ thụ động Thường các chấn tửphản xạ và dẫn xạ thụ động được gắn trực tiếp lên thanh đỡ kim loại Nếu chấn

tử chủ động là chấn tử vòng dẹt thì nó cũng có thể gắn trực tiếp lên thanh đỡkim loại

29

Chấn tử chủ động A được nối với dây dẫn thường là cáp đồng trục do đó

P và D sẽ bức xạ thứ cấp Nếu chọn được độ dài P và khoảng cách PA thích hợpthì P sẽ trở thành chấn tử phản xạ của chấn tử A Khi đó năng lượng bức xạ củacặp A-P sẽ giảm yếu về phía P và được tăng cường theo hướng về chấn tử D

Tương tự nếu chọn được độ dài D và khoảng cách AD thích hợp thì D sẽchở thành chấn tử dẫn xạ của chấn tử A Khi ấy năng lượng bức xạ của hệ A-D

sẽ tập trung về hướng chấn tử D hay theo trục z và giảm yếu dần theo hướngngược lại

Vì vậy năng lượng của hệ anten sẽ được tập trung về một phía và hìnhthành một kênh dẫn sóng dọc trục anten hướng từ chấn tử phản xạ về chấn tửdẫn xạ Thông thường mỗi anten Yagi có một chấn tử phản xạ Để tăng cườnghiệu quả phản xạ, trong một số trường hợp có thể sử dụng thêm mặt phản xạ kimloại, lưới kim loại hoặc một vài chấn tử đặt ở khoảng cách giống nhau so vớichấn tử chủ động

Chấn tử chủ động thường là chấn tử vòng dẹt vì:

Kích thước của các chấn tử dẫn xạ và khoảng cách giữa chúng phải chọnsao cho dòng trong các chấn tử này tương đối đồng đều về biên độ và giá trị gầnbằng biên độ dòng của chấn tử chủ động và chậm dần về pha theo dọc trục antenhướng từ chấn tử chủ động đến chấn tử dẫn xạ

Dải tần làm việc của anten Yagi:

anten nên anten Yagi thuộc loại anten dải hẹp

Ưu nhược điểm của anten Yagi:

 Các chấn tử được sắp xếp trên đường thẳng sao cho đầu mút của các chấn

tử tạo ra góc anpha

tử cạnh nhau thì được đảo pha bằng cách đấu chéo chúng

Nguyên lý hoạt động:

Nếu máy làm việc ở tần số f nào đó, tần số này là tần số cộng hưởng củamột trong các chấn tử thì trở kháng của chấn tử đó điện trở thuần Các chấn tửkhác vẫn còn thành phần điện kháng, giá trị của điện kháng càng lớn khi khoảngcách của chấn tử này càng xa với chấn tử cộng hưởng Lúc này trường bức xạ làcủa chấn tử cộng hưởng và một số chấn tử lân cận Những chấn tử này tạo nênmiền bức xạ anten

Các chấn tử phía trước chấn tử cộng hưởng có chiều dài nhỏ hơn có dungkháng vào và dòng điện cảm ứng trong các chấn tư này chậm pha hơn so vớichấn tử có độ dài hơn Ngược lại các chấn tử phía sau có độ dài lớn hơn, sẽ cócảm kháng vào và dòng cảm ứng trong nó sẽ có pha sớm hơn so với các chấn tửcòn lại Ta nhận được dòng tổng hợp trong các chấn tử của miền bức xạ có góclệch pha giảm dần theo chiều dảm của kích thước anten Vì anten được tiếp điệnchéo nhau và pha giữa 2 chấn tử kề nhau lệch nhau 180 độ

Do có quan hệ pha như trên thì các chấn tử (độ dài ngắn hơn chấn tử cộnghưởng) đứng trước chấn tử cộng hưởng sẽ thỏa mãn điều kiện dẫn xạ Còn cácchấn tử còn lại (trừ chấn tử cộng hưởng) sẽ là chấn tử phản xạ