ATTS bài thi giữa kỳ

đây là Bài tập lớn giữa kỳ anten truyền sóng Lớp KSTN ĐTVT K59 ĐHBKHN Thầy giáo Lâm Hồng Thạch Đề tài: Anten Loga – Chu kỳ Kỳ 1 năm 3 Chuyên ngành điện tử viễn thông Môn Anten truyền sóng cực khó

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO

BÀI TẬP LỚN MÔN ANTEN TRUYỀN SÓNG

Đề tài: Anten Loga – Chu kỳ

Giảng viên hướng dẫn: GS Lâm Hồng Thạch

Nhóm thực hiện:

Hà Nội, ngày 3 tháng 11 năm 2016

MỤC LỤC

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT ANTEN 3

1.1 Vai trò nhiệm vụ anten trong thông tin vô tuyến 3

1.2 Hệ phương trình Maxwell, khảo sát trường bức xạ anten 3

1.3 Các đặc trưng cơ bản của anten 4

1.4 Chấn tử đối xứng 5

1.4.1 Khái niệm 5

1.4.2 Khảo sát trường bức xạ chấn tử đối xứng 6

II NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO ANTEN LOGA – CHU KỲ 8

III TÍNH TOÁN ANTEN LOGA – CHU KỲ 13

IV ỨNG DỤNG CỦA ANTEN LOGA – CHU KỲ 19

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT ANTEN

1.1 Vai trò nhiệm vụ anten trong thông tin vô tuyến

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo 2 cách:

- Dùng đường truyền định hướng như đường dây song hành, đường truyền sóng đồngtrục, ống dẫn sóng,

- Dừng đường truyền vô tuyến, sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do.Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài đượcgọi là anten

Anten có vai trò không thể thiếu trong hệ thống thông tin vô tuyến

1.2 Hệ phương trình Maxwell, khảo sát trường bức xạ anten

* Hệ phương trình Maxwell:

{rot ´H= ´J e+ε ∂ ´E

∂t rot ´E=−μ ∂ ´H

∂t divεε ´E=ρ divεμ ´H=0

(1-1)

* Khảo sát trường bức xạ anten:

+ Phương pháp: giải hệ phương trình Maxwell đầy đủ để tìm nghiệm tổng quát

+ Cách làm: Tách hệ phương trình Maxwell đầy đủ thành 2 hệ con: chỉ có nguồn điện

và chỉ có nguồn từ, giải 1 hệ rồi dùng nguyên lý đổi lẫn, tổng nghiệm của 2 hệ đượcnghiệm của hệ phương trình Maxwell đầy đủ

1.3 Các đặc trưng cơ bản của anten

- Hàm phương hướng bức xạ (PHBX) ´f (θ , φ) biểu thị sự phụ thuộc của trường bức xạvào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi

- Hàm phương hướng biên độ (PHBĐ) f m(θ , φ) biểu thị sự phụ thuộc của biên độtrường bức xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi

và thường vẽ theo hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa F m (θ , φ )

+ Độ rộng đồ thị phương hướng bức xạ theo mức 0 (ký hiệu 2 θ0) là góc giữa 2hướng mà theo 2 hướng đó công suất bức xạ giảm về 0

+ Độ rộng đồ thị phương hướng bức xạ theo hướng nửa công suất (ký hiệu 2 θ1/ 2 làgóc giữa 2 hướng mà theo 2 hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa

- Hiệu suất bức xạ là tỷ số công suất bức xạ và công suất đặt vào anten

η= P ∑

- Hệ số định hướng D(θ , φ) của một anten theo hướng (θ , φ¿ nào đó là tỷ số giữa mật

độ công suất bức xạ của anten theo hướng (θ , φ) và mật độ công suất bức xạ của mộtanten chuẩn có cùng công suất và xét theo cùng khoảng cách R

- Dải tần làm việc anten: là một dải tần từ f min đến f max mà trong đó anten làm việc vớicác thông số cơ bản không đổi hoặc thay đổi trong phạm vị cho phép

1.4 Chấn tử đối xứng

1.4.1 Khái niệm

Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn kích thước giống nhau đặtthẳng hàng trong không gian, ở giữa được tiếp điện bởi dòng điện cao tần

Hình 1.1

1.4.2 Khảo sát trường bức xạ chấn tử đối xứng

Để tìm trường bức xạ ta cần biết phân bố dòng điện trên chấn tử, điều này sẽ trở nên phứctạp Ta chỉ xét phương pháp gần đúng để xác định dòng điện phân bố trên chấn tử:

Coi chấn tử đối xứng tương đương đường dây song hành, hở mạch mà trên đường dâysong hành đó dòng điện phân bố theo quy luật sóng đứng, cho nên trường bức xạ củachấn tử đối xứng giống với trường bức xạ của dân dẫn thẳng có dòng điện sóng đứng

Thật vậy, đường dây song hành có thể biến dạng để nhận được chấn tử đối xứngbằng cách mở rộng đầu cuối của đường dây đến khi góc mở giữa hai nhánh bằng 180o

Giả sử khi biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng thì quy luậtdòng điện trên hai nhánh vẫn không đổi (vẫn có dạng sóng đứng)

I z ( z )=I b sink ( l

2−|z|) (1-12)

I b là biên độ dòng điện ở điểm bụng sóng đứng

l là độ dài cả chấn tử

Z V A=U vε

II NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO ANTEN LOGA – CHU KỲ

* Nguyên lý tương tự của điện động học

Nếu biến đổi đồng thời bước sóng công tác và tất cả kích thước của anten theo một

tỷ lệ giống nhau thì các đặc tính của anten (đồ thị phương hướng, trở kháng vào, ) sẽkhông đổi

Theo nguyên lý trên có thể thiết lập các anten không phụ thuộc tần số bằng cáchcấu tạo anten với nhiều khu vực có kích thước khác nhau, tỷ lệ nhau theo một hệ số nhấtđịnh Khi anten làm việc với một bước sóng nào đó thì sẽ chỉ có một khu vực anten thamgia vào quá trình bức xạ (miền bức xạ anten) Khi bước sóng thay đổi thì miền bức xạ sẽdịch chuyển đến khu vực mà tỷ lệ của kích thước hình học của các phần tử bức xạ vớibước sóng không đổi

Anten được tạo bởi tập hợp các chấn tử có kích thước và khoảng cách khác nhau

và được tiếp điện từ một đường fide song hành chung như hình (các chấn tử nhận dòng từfide theo cách tiếp điện chéo):

Hình 2.1

Kích thước của các chấn tử và khoảng cách giữa chúng biến đổi dần theo một tỉ lệ,

tỉ lệ này được gọi là chu kỳ của kết cấu:

Các chấn tử không cộng hưởng có dòng điện chạy qua nhỏ nên trường bức xạ củaanten được quyết định chủ yếu bởi bức xạ của của chấn tử cộng hưởng và một số chấn tửlân cận gần đó Những chấn tử này tạo nên miền bức xạ của anten Dòng điện trong cácchấn tử của miền bức xạ có được do tiếp nhận trực tiếp từ fide và hình thành do cảm ứngđiện trường của chấn tử cộng hưởng

Các chấn tử nằm ở phía trước chấn tử cộng hưởng có chiều dài nhỏ hơn, sẽ códung kháng vào, dòng cảm ứng trong chấn tử này chậm pha so với dòng trong các chấn

tử có độ dài hơn nó Và ngược lại, các chấn tử ở phía sau chấn tử cộng hưởng có chiềudài lớn hơn, sẽ có cảm kháng vào, dòng cảm ứng trong chấn tử này sớm pha so với dòngtrong các chấn tử có độ dài hơn nó Các chấn tử nhận dòng từ fide theo cách tiếp điệnchéo nên 2 chấn tử kề nhau có dòng điện lệch pha nhau 180 cộng với góc lệch pha dotruyền sóng trên đoạn fiđe mắc giữa 2 chấn tử đó Tập hợp tất cả các yếu tố trên, ta nhậnđược dòng tổng hợp trong các chấn tử của miền bức xạ có góc lệch pha giảm dần theochiều giảm kích thước anten

Nếu tần số máy phát giảm đi, còn là τ f 0 (τ < 1) thì vai trò của chấn tử cộng hưởng

sẽ được dịch chuyển sang chấn tử có độ dài lớn hơn kế đó, và ngược lại, nếu tần số tăng

lên bằng f 0•τ thì chấn tử cộng hưởng sẽ chuyển sang chấn tử ngắn hơn kế đó

Ví dụ chấn tử cộng hưởng với tần số f 1, ta có l1=λ /2 Nếu tần số máy phát giảmxuống f '

=τ f1=¿λ ’=λ1/τthì chấn tử cộng hưởng mới có độ dài là:

l '

=λ ’/2=(λ1/2).(l/ τ)=l1/τ (2-2)

Ở các tần số:

f n=τ n−1 f1 (2-3)thì các chấn tử cộng hưởng có độ dài tương ứng là:

l n=l1/τ n −1 (2-4)trên anten cũng sẽ xuất hiện miền bức xạ mà chấn tử phản xạ có độ dài chính là l n

Khi anten hoạt động ở tần số cộng hưởng thì các thông số điện như đồ thị phươnghướng, trở kháng vào,… sẽ không có sự thay đổi Nhưng ứng với các tần số trung tâm

giữa các tần số cộng hưởng f 1 f2 , f 2 f3 , , f n-1 fn, các tần số của anten sẽ bị thay đổinhỏ Ta cũng có thể cấu tạo anten sao cho trong khoảng giữa 2 tần số kề nhau các thông

số biến đổi trong một giới hạn chấp nhận được

Đồ thị phương hướng của anten xác định bởi số lượng chấn tử của miền bức xạ tácdụng, thông thường là khoảng từ 3 đến 5 chấn tử, và bởi tương quan biên độ và pha củadòng điện trong các chấn tử ấy Các đại lượng này lại phụ thuộc vào các thông số hình

học τ và α

Với α xác định, tăng τ thì số chấn tử thuộc miền bức xạ tác dụng cũng tăng, do đó

đồ thị phương hướng hẹp lại Nhưng nếu tăng τ quá lớn thì đặc tính phương hướng lạixấu đi vì lúc đó kích thước miền bức xạ tác dụng giảm do các chấn tử quá gần nhau Giữ

nguyên τ, giảm α đến một giới hạn nhất định nào đó sẽ làm hẹp đồ thị vì khi đó khoảng

cách giữa các chấn tử lại tăng và khi đó tăng kích thước miền bức xạ tác dụng

Các giá trị giới hạn của τ và α thường là:

Vì anten loga – chu kỳ gồm các chấn tử song song nhau, mà mỗi chấn tử có mặtphẳng E là mặt phẳng chứa trục chấn tử, mặt phẳng H là mặt phẳng vuông góc trục chấn

tử nên mặt phẳng E của anten là yOz và mặt phẳng H là xOy

Hình 2.2

Do hướng tính của mỗi chấn tử hợp thành anten là vô hướng trong mặt phẳng H và

có hướng tính trong mặt phẳng E nên đồ thị phương hướng anten loga – chu kỳ trong mặtphẳng H rộng hơn trong mặt phẳng E

Để tăng hướng tính của anten trong mặt phẳng H, cần mở rộng kích thước antentrong mặt phẳng ấy Điều này được thực hiện khi thiết lập anten góc, nghĩa là khi đườngfide phấn phối có cấu tạo 2 nhánh không song song mà hợp thành một góc, sao cho cácchấn tử nối với 2 nhánh của đường fide nằm trong 2 mặt phẳng khác nhau (hình 2.3)

Hình 2.3

Anten loga – chu kỳ, ngoài loại chấn tử có kết cấu là dây dẫn thẳng còn có thểđược thực hiện theo một số cách khác khi kết cấu chấn tử có dạng tùy ý: khung dây dẫnhình thang hoặc tam giác, các phiến kim loại,… Đặc tính bức xạ của các anten loại nàycũng khác so với anten mà chấn tử làm hàng dây dẫn thẳng.(hình 2.4).

(a) (b) (c)

Hình 2.4

III TÍNH TOÁN ANTEN LOGA – CHU KỲ

Đặc điểm kết cấu của anten và phương pháp tính toán

Để đảm bảo đồ thị phương hướng của anten trong mặt phẳng đứng không biến đổikhi thay đổi tần số cộng tác, anten được đặt nghiêng một góc ∆ so với mặt đất, sao cho độcao tương đối của mỗi phần tử so với mặt đất là đại lượng không đổi

Sơ đồ của anten loga – chu kỳ đặt nghiêng trên mặt đấy và tiếp điện bởi đường dâysong hành mắc chéo được vẽ ở hình 3.1a

sơ đồ tương đương của anten loga – chu kỳ được vẽ ở hình 3.3.

Hình 3.3 (a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Sơ đồ tương đương

Theo hình ta có quan hệ điện áp ở cửa của các tầng:

I2=−(I1III

+I2II

) (3-5)

I N=−I2N

Sau khi xác định được dòng điện trong các chấn tử (theo các công thức (3-4) và(3-5), ta có tể đưa anten loga – chu kỳ về mô hình đơn giản gồm các chấn tử có độ dàithay đổi l n đặt song song cách nhau những khoảng cách nhất đinh dọc theo trục z ở các vịtrí có tọa độ z n như hình 3.4:

Hình 3.4

Mỗi chấn tử được tiếp điện bởi một nguồn điện riêng biệt có sức điện động V n.Các kích thước l n và tọa độ z n được xác định khi cho trước chu kỳ τ các góc mở α

Hệ phương trình Kirchoff đối với hệ thống N chấn tử ghép khi có tính ảnh hưởng tương

hỗ của các phần tử được viết dưới dạng:

Z11I1+Z12I2+…+Z 1 N I N=V1

Z21I1+Z22I2+…+Z 2 N I N=V2 (3-6)

Z N 1 I1+Z N 2 I2+…+Z NN I N=V N

Các bước tính toán thuận đối với mô hình anten loga – chu kỳ:

Bước 1: Thay (3-4), (3-5) vào (3-6) sẽ nhận được hệ N phương trình mới Giải hệ

phương trình vừa tìm được sẽ nhận được N nghiệm V1,V2, … , V N Thay các nghiệm nàyvào (3-6) và (3-7) sẽ xác định được dòng điện trong các chấn tử I1, I2, … , I N

Bước 2: Tính hàm phương hướng của anten trong hai mặt phẳng E và H

Anten loga – chu kỳ là hệ thống bức xạ N chấn tử

Hàm phương hướng bức xạ hệ thống N phần tử:

´f (θ , φ )= ´f1(θ , φ ) f KN (θ ,φ ) (3-7)trong đó f´1(θ , φ ) là hàm phương hướng bức xạ một chấn tử

Cách mắc chéo nên dòng điện ở hai chấn tử liên tiếp nhau cần phải có dấu ngược nhau do

đó số hạng (−1)n được đưa vào các công thức trên là để hiệu chỉnh dấu của các dòng điện

Bước 3: Biết các dòng điện và điện áp I n , V n sẽ xác định được tổng trở vào của cácchấn tử

Hệ số định hướng của anten được tính:

là độ rộng của góc nửa công suất trong mặt phẳng E và mặt phẳng H

IV ỨNG DỤNG CỦA ANTEN LOGA – CHU KỲ

*Mở rộng dải tần của antenx

Nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng mà ứng với một tần số khác nhau củaphổ thì biên độ dòng điện đặt vào anten (nếu anten phát) hoặc sức điện động thu được(nếu anten thu) sẽ biến đổi theo, làm thay đổi dạng phổ tín hiệu Khi có một tín hiệu phổrộng truyền qua fide thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ sẽ tạp ra sự trễ pha khác

nhau và gây méo pha tín hiệu Vì vậy tốt nhất anten phải đảm bảo trong dải tần làm việc

R V A và X V A là hằng số

Có nhiều trường hợp chúng ta đòi hỏi anten không chỉ làm việc ở một tần số mà

nó có thể làm việc ở một số tần số khác nhau Ứng với mỗi tần số khác nhau ấy antenphải đảm bảo được những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương hướng, trởkháng vào, dải thông tần Dải tần số mà trong giới hạn đó anten làm việc với các chỉtiêu kỹ thuật đã cho gọi là dải tần công tác của anten Chỉ tiêu kỹ thuật này có thể khácnhau đối với từng loại anten cụ thể

Tỷ số của tần số cực đại và cực tiểu của dải tần công tác f f max

min gọi là hệ số bao trùmdải sóng Trong đó, dải tần số của anten loga chu kỳ có thể đạt được với hệ số bao trùmkhoảng 10•1 và lớn hơn

Căn cứ theo dải tần số công tác, anten loga- chu kỳ thuộc loại anten dải tần siêu rộng :

+ Ứng dụng trong thông tin vi ba

+ Truyền hình vô tuyến

Truyền hình vô tuyến

Tăng khả năng thu phát tín hiệu này

Ứng dụng trong thông tin vi ba này

Truyền hình tiếp xúc

Truyền hình vô tuyến

Làm bộ phản xạ cho anten gương