Báo cáo thực tập thực hành hệ đo anten

Mặt phẳng E y-z và mặt phẳng H x-y của một anten lưỡng cực o Tính góc nửa công suất Góc nửa công suất HPBW-Half Power Beamwidth của một anten là góc đợctạo bởi các điểm trên búp sóng chí

BÀI 1: ĐO GIẢN ĐỒ BỨC XẠ CỦA ANTEN NỬA SÓNG TẠI TẦN SỐ 1

GHZ 2

1.1 Tóm tắt lý thuyết 2

1.1.1 Anten chất tử và chất tử lý tưởng 2

1.1.2 Giản đồ bức xạ 2

1.1.3 Góc nửa công suất 3

1.1.4 Độ phân cực của anten 3

1.2 Thực nghiệm 4

1 2.1 Các thiết bị đo 4

1.2.2 Nội dung thực hành: 4

BÀI 2: ĐO ĐỘ TĂNG ÍCH CỦA ANTEN LOA HÌNH CHÓP 15

2.1 MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN 15

2.1.1 Độ mất mát trong không gian tự do 15

2.1.3 Đo đạc độ tăng ích của anten 15

2.1.4 Các loại anten loa 16

2.2 Thực nghiệm 20

2.2.1 Thiết bị 20

2.2.2 Thực hiện: 20

BÀI 3: XÂY DỰNG HỆ ANTEN YAGI - UDA 27

3.1 Một số kiến thức cơ bản 27

3.2 Thực nghiệm 28

3.2.1 Tóm tắt 28

3.2.2 Thực hiện 28

3.3 Kết luận 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

Bài 1

ĐO GIẢN ĐỒ BỨC XẠ CỦA ANTEN NỬA SểNG TẠI TẦN SỐ 1 GHz

1.1> Nội dung cần thực hiện:

o Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H của chấn tử nửa sóng tạitần số 1GHz với khoảng cách hai anten lần lợt là 1m và 1.25 m

Hỡnh 1-1 Anten chấn tửGiản đồ bức xạ đặc trng cho sự phân bố năng lợng theo các hớng trong khônggian Nó chỉ thị mức công suất phát tơng đối theo mỗi hớng Mặc dù giản đồ bức

phẳng E và mặt phẳng H) cũng có thể dùng để xác định đặc trng bức xạ của mộtanten Độ phân cực của anten mô tả hớng điện trờng của sóng điện từ trong khônggian đợc phát bởi anten ở trờng xa Chính xác hơn nó mô tả hớng có mật độ trờngcực đại Anten lỡng cực có phân cực theo hớng của lỡng cực.

Hỡnh 1-2 Mặt phẳng E (y-z) và mặt phẳng H (x-y) của một anten lưỡng cực

o Tính góc nửa công suất

Góc nửa công suất (HPBW-Half Power Beamwidth) của một anten là góc đợctạo bởi các điểm trên búp sóng chính có công suất bằng một nửa công suất theo h-ớng cực đại (theo thang logarit giảm 3dB và đợc tính bởi công thức:



HPBWtrai HPBWphai

HPBW của một anten chấn tử lý tởng trong mặt phẳng E là 900

o Tính chiều dài của một anten lỡng cực /2 tại tần số 1GHz

f

c

3 0 10

10 3

Dựa trờn những tớnh toỏn trờn, ta sẽ lắp đặt chấn tử λ/2 làm Anten thu để tiếnhành đo đạc

o Các cáp nối SMA

1.2.2> Thực hiện đo giản đồ bức xạ và xác định góc nửa công suất

Các bước tiến hành:

Bước 1: Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E của chấn tử nửa sóng

o Lắp đặt hệ đo như hình 1.4, đặt khoảng cách giữa 2 Anten r= 1m cùng chiềucao và đối mặt với nhau

Hình 1.4: Khoảng cách r giữa hai anten

o Cấp nguồn cho máy phát RF và khối nguồn nuôi Power Supply

o Đặt máy phát RF ở chế độ phát 1GHz, phát xung

o Bật máy tính và khởi động phần mềm LVDAM-ANT

o Bật công tắc 1GHz OSCILLATOR RF POWER của máy phát RF lên vị tríON

o Điều khiển bộ suy giảm để tối ưu hoá việc đo giản đồ bức xạ: nối cáp SMAcủa Anten thu với bộ suy giảm 10 dB, đặt tiếp suy giảm cho mức tín hiệu thuđược cực đại trong phần mềm LVDAM-ANT là MSP- Maximum SignalPosition ở 0dB

o Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E thu được như sau:

Bước 2: Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E của chấn tử nửa sóng với khoẳng cách giữa hai anten r= 1m Quay anten phát vuông góc với vị trí ban đầu, không thay đổi hướng của anten thu và các mức suy giảm so với bước 1

Giản đồ thu được có dạng như sau:

Bước 3: Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng H của chấn tử nửa sóng với khoảng cách giữa 2 anten r= 1m.

o Đặt anten phát vuông góc với vị trí ở bước 1

o Anten thu được lắp đặt vuông góc với vị trí ở bước 1

o Sử dụng cùng mức suy giảm như các bước trên

Giản đồ bức xạ thu được như sau:

Bước 4: làm lại bước 1 với trường hợp khoảng cách giữa 2 anten r= 1.25m Giản đồ bức xạ thu được như sau:

Bước 5: Xác định góc nửa công suất trên các giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E của bước 1 và bước 4.

- Cách 1 cho bước 1 : Dùng cursors để xác định góc nửa công suất: Các giá trị

hiển thị phía bên phải màn hình bao gồm 2 mức công suất ( tính theo dB), giá trị

cực đại của búp sóng chính ( tính theo dB), vị trí của các con trỏ và sự chênh lệchgiữa các vị trí này ( tính theo độ)

- Cách 2 cho bước 1 : Đọc giá trị góc nửa công suất do phần mềm

LVDAM-ANT tính ở cửa sổ chính

- Cách 3 cho bước 1 : Dùng cursor và lệnh Options.Đặt con trỏ tại -3dB

- Cách 1 cho bước 4:

- Cách 2 cho bước 4:

- Cách 3 cho bước 4:

3> Nhận xét và đánh giá:

o Kết quả thực nghiệm thu được về giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và H củaAnten đipol nửa bước sóng có hình dạng tương đối giống với lý thuyết Cómột chút sai khác là có thể do:

Trong quá trình đo đạc, tín hiệu phát có thể bị phản xạ bởi các vật thểxung quanh Điều này ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của kết quảđo

Có vật thể và chướng ngại vật bằng kim loạiMôi trường thực hiện đo đạc không lý tưởng

o Ta thấy kết quả đo thứ 2, giản đồ này có hình dạng khác thường Nguyênnhân là do xoay Anten phát vuông góc với bước 1, phân cực của nó bị lệch sovới Anten thu nên mức tín hiệu thu được rất thấp và bị méo dạng

o Đo giản đồ bức xạ của anten trong mặt phẳng E với khoảng cách r=1.25m vớicùng mức suy giảm với r=1m Theo lý thuyết thì giản đồ phải như nhau ở cảhai trường hợp Nhưng kết quả thực nghiệm cho thấy chúng tương đối giốngnhau, có 1 vài khác biệt nhỏ là do môi trường phản xạ khi truyền sóng,khoảng cách thu-phát, tuy nhiên không đáng kể Khi tăng khoảng cách r, mứctín hiệu thu bị giảm đi

Cách tính góc nửa công suất:

o Đo góc nửa công suất của búp sóng chính trong mặt phẳng E tại khoảng cách1m bằng cả 3 cách đều cho kết quả gần giống như nhau và kết quả là:

Curs1: 2230, curs2: 1450

Sử dụng các phương trình tính góc nửa công suất:

right HPBW left

HPBW E

HPBW    

 HPBWE = 2230-1450 = 780 (cho búp phía trên)

Bản chất hai búp sóng trên và dưới về lý thuyết là giống nhau, do đó góc nửacông suất như nhau Tuy nhiên do điều kiện đo đạc không lý tưởng nên kết quả thuđược có 1 chút sai khác

Ngoài ra còn có thể quan sát trực tiếp trên màn hình:

o Đo góc nửa công suất của búp sóng chính trong mặt phẳng E tại khoảng cách1.25m:

 Qua bài thực nghiệm này chúng ta có thể biết được trường bức xạ của anten chấn

tử nửa bước sóng và cách tính góc nửa công suất

ĐO ĐỘ TĂNG ÍCH CỦA ANTEN LOA HèNH CHểP

2.1> Nội dung cần thực hiện:

2.1.1> Đánh giá độ mất mát trong không gian tự do do khoảng cách giữa haianten

o Thông số ảnh hởng đến độ mất mát truyền sóng trong không gian tự do L F

Theo công thức truyền sóng trong không gian tự do thì khoảng cách phát thu

r ảnh hởng trực tiếp tới mất mát truyền sóng L F Cụ thể là L F tỷ lệ nghịch vớibình phơng khoảng cách r

Độ mất mỏt truyền trong khụng gian tự do LF tớnh theo cụng thức:

o Khối phỏt: mỏy phỏt RF, anten loa lớn

o Khối thu: bao gồm hệ thống định vị anten Antenna Position (gọi tắt là AP)được ghộp nối với mỏy tớnh Anten cần đo được lắp đặt trờn hệ thống này

2.2.2 Thực hiện:

khoảng là 80cm và 160cm

- Lắp Anten thu là Anten loa lớn Đặt suy giảm 10 dB, mỏy phỏt RF bật ở chế

độ 10GHz, 1Khz Chỳ ý là 2 Anten phỏt và thu đều được định hướng trong cựng mặtphẳng H

a/ Giản đồ bức xạ đo ở khoảng cách phát-thu là 80cm:\

Kết quả thực nghiệm như sau:

b/ Tăng khoảng cách phát –thu lên 160cm Kết quả thực nghiệm như sau:

Như vậy theo thực tế đo đạc, chênh lệch công suất thu khi tăng khoảng cách lêngấp 2 là:

A= -0.1 +5.8 = 5.7 (dB)Tính theo lý thuyết:

giữa hai anten là 160cm Xoay anten thu và phát sao cho mặt phẳng H của chúng

song song với cột anten

Bước 3 : Xác định HPBW, tỷ số F/B và độ tăng ích của anten loa nhờ phương

pháp chuẩn từ giản đồ bức xạ trong mặt phẳng H và mặt phẳng E thu thập ở bước 1

và 2 trong trường hợp khoảng cách 2 anten là 160cm

a./ Trong mặt phẳng E:

Góc nửa công suất xác định được là:

HBPWE= 210

Tỷ số trước /sau tính được

F/BE(dB) = Búp sóng chính (dB)-búp sóng sau(dB) = -6.3 dB - (-23dB) = 16.7 dB

b./ Trong mặt phẳng H:

Góc nửa công suất xác định được là:

HBPWH = 240

Tỷ số trước-sau(F/B) của mặt phẳng E của anten

F/BE(dB) = Búp sóng chính (dB)-búp sóng sau(dB) = -5.8dB - (-22 dB) = 16.2 dB

c./ Tính độ tăng ích của anten loa hình chóp lớn tại tần số 10.52 GHz, biết rằng nó cócác kích thước như sau:

4 9 85 2 8

6 9 8

2 2







x x l

A t

36556 17

dB L

L log

10 08 10

G G

HPBW HPBW

G D

H E

1254 17 log

10

5873 51 21

* 24 26000

26000

Như vây, giữa lý thuyết và thực hành gần như là khớp nhau

o Tính độ tăng ích thực tế của một anten theo phương trình



r



o Xác định công suất nhận (PRec) và phát (P0)

- Nối với bộ suy giảm 10dB, đo được P0=0 + 10 = 10 dB

- Lắp 2 Anten loa lớn tại khoảng cách 1m Công suất thu được:

Prec=-2 + 10 = 8 dB

- Do đó:

G=10log4r -10log10+0.5(PRec – P0) (dB)= 17.48 dB

Nhận xét: So sánh độ tăng ích thực tế của anten loa hình chóp với hai kết trên ta

thấy chúng chỉ chênh nhau khoảng 0.35dB Chúng ta thấy kết quả thực nghiệm rấtgần với kết quả lý thuyết

Bước 4: Xác định độ tăng ích của anten loa nhỏ sử dụng phương pháp thế (anten loa lớn trở thành anten chuẩn với độ tăng ích được xác định ở bước 3):

Các anten loa lớn vẫn được đặt cách nhau 1 m và đối mặt với nhau Dùng bộ điềukhiển suy giảm để tối ưu hoá việc nhận tín hiệu và ghi lại công suất thu

Theo kết quả của bước 3 thì: PRef=PRec= 8dB

Thay anten thu bằng anten loa nhỏ Lắp hệ lắp đặt lên cột anten Giữ nguyên mứcsuy giảm Công suất thu như sau:

o Từ giản đồ bức xạ ta thấy: PTest= 10dB-6.6dB=3.4dB

chuẩn (GRef), tính độ tăng ích (GTest) của anten loa nhỏ.

GTest=PTest+GRef - PRef=3.4+17.37-8=12.77 dB

o Tính vùng hiệu dụng của anten loa: từ công thức

2 eA4G

6.764 η

A A

p e

3.1.2> Theo dõi sự thay đổi của giản đồ bức xạ khi thay đổi số trấn tử

Bảng 3-1 Tăngích của anten Yagi với số chấn tử khác nhau

3.1.3> Xác định độ tăng ích, góc nửa công suất và tỷ số trước/sau từ giản đồ bức xạ của anten Yagi

3.2.1 Thực hiện

a/ Bên phát:

- Lắp anten Yaghi lên giá như bài 1

- Dùng cáp đồng trục SMA để nối anten Yaghi với máy phát (Module tần số1GHz)

b/ Bên thu:

- Lắp chấn tử nửa sóng vào xà nhôm sau đó lắp anten lên module quay sao chotâm chấn tử nửa sóng trùng với trục quay đồng thời dùng cáp đồng trục nốivới bộ suy giảm 10 dB và nối vào module quay

Bước 1: Đo giản đồ bức xạ trong mặt pẳng E của anten Yaghi ứng với trường hợp chỉ có một phần tử tích cực (chấn tử nửa sóng) khi anten phát và anten thu đặt cách nhau một khoảng r=1.5m.

Kết quả như sau:

Bước 2: Đo giản đồ bức xạtrong mặt phẳng E của anten Yagi trường hợp anten gồm phần tử tích cực (chấn tử nửa sóng) và một chấn tử phản xạ chiều dài 178mm,

cách chấn tử tích cực một khoảng A=0.15 đến 0.25 , anten thu phát đặt cách hau r=1.5m.

Kết quả thu được như sau:

Bước 3: Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E của anten Yagi trong trường hợp

có một chấn tử tích cực, và một chấn tử dẫn xạ đặt trước chấn tử tích cực, dặt cách chấn tử tích cực một khoảng A=0.15 đến 0.25 ,với r=1.5m.

Kết quả như sau:

Nhận xét: Qua thực nghiệm chúng ta thấy cả chấn tử phản xạ và chấn tử dẫn xạ

đều có tác dụng làm tăng cường độ bức xạ của anten, và chúng chỉ làm tăng cường

độ bức xạ ở một số hướng và làm giảm cường độ bức xạ ở một số hướng khác

Bước 4: Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E của anten Yaghi trong trường hợp anten gồm một chấn tử tích cực, một chấn tử dẫn xạ chiều dài 146mm, và một chấn

tử phản xạ chiều dài 178mm đặt cách nhau một khoảng 0.15.

Kết quả thu được như sau:

Bước 5: Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E của anten Yagi trong trường hợp anten gồm 3 phần tử được sắp xếp và tối ưu theo các chiều dài và khoảng cách sau:

- Chiều dài các chấn tử : A = 178 mm, B = 154 mm, C = 146 mm

- Khoảng cách giữa các chấn tử: 1=87 mm , và 2=61 mm

Các bước thực hiện được tiến hành như bước 1 ta thu được giản đồ bức xạ và gócnửa công suất như sau:

Nhận xét : Nhìn vào hai giản đồ bức xạ trong 2 trường hợp anten gồm có 3 chấn

tử như ta đã thực hiện ở bước 3 và bước 4 thì chúng ta thấy giản đồ bức xạ của antentrong bước 3 có cường độ lớn hơn chút ít so với cường độ bức xạ của anten trongbước 4 Điều này chứng tỏ khoảng cách giữa các chấn tử cũng ảnh hưởng tới cường

độ bức xạ của anten, tuy nhiên sự ảnh hưởng này là không lớn lắm

Bước 6: Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E của anten Yaghi trong trường hợp anten gồm 4 phần tử được sắp xếp và tôi ưu theo các chiều dài và khoảng cách như sau:

- Chiều dài các chấn tử: A = 178 mm, B = 154 mm, C = 146 mm, D = 144 mm

- Khoảng cách giữa các chấn tử: 1= 88 mm, 2=66 mm, 3=85 mm

Các thao tác thực hiện như bước 1 ta thu được giản đồ bức xạ và góc nửa côngsuất như sau:

Bước 7: Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E của anten Yagi trong trường hợp anten gồm 5 phần tử được sắp xếp và tôi ưu theo các chiều dài và khoảng cách như sau:

- Chiều dài các chấn tử: A = 178 mm, B = 154 mm, C = 146 mm, D = 144 mm,

E = 142 mm

- Khoảng cách giữa các chấn tử: 1=94 mm, 2=75 mm, 3=100 mm, 4=108 mm

Bước 8: Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E của anten Yagi trong trường hợp anten gồm 6 phần tử được sắp xếp và tôi ưu theo các chiều dài và khoảng cách như sau:

- Chiều dài các chấn tử: A = 178 mm, B = 154 mm, C = 146 mm, D = 144 mm,

E = 142 mm, F = 140 mm

- Khoảng cách giữa các chấn tử: 166 mm, 2=70 mm, 3=105 mm, 4=110 mm,5=120mm

Các thao tác thực hiện như bước 1 ta thu được giản đồ bức xạ và góc nửa côngsuất như sau:

Từ giản đồ bức xạ thu được, tính độ tăng ích, góc nửa công suất, tỷ số F/B như sau:

Sốchấntử

Tăng ích(dBd)

Bước 9: Đo giản đồ bức xạ trong mặt phẳng H của anten Yagi trong trường hợp anten gồm 6 phần tử được sắp xếp và tôi ưu như ở bước 8:

Các thao tác thực hiện như bước 1 ta thu được giản đồ bức xạ như sau:

3.3 Kết luận

o Trong bài thực hành này, chúng ta thấy được vai trò của các chấn tử

phản xạ và dẫn xạ trong anten Yagi; và đã được quan sát được giản đồ bức xạ của các anten có số chấn tử khác nhau và ước lượng HPBW, F/B của chúng, tham chiếu với dipole nửa sóng để ước lượng tăng ích của

chỳng Cuối cựng, chỳng ta đó thấy được ảnh hưởng của việc tăng số chấn tử tới việc tăng độ tăng ớch của loại anten này.

o Ta thấy tăng ích của anten tỷ lệ với số chấn tử, khi số chấn tử càng nhiều

thì tăng ích càng lớn, định hớng 3 chiều của anten tập trung cao (góc nửa công suất nhỏ) Khoảng cách giữa các chấn tử cũng cần đợc tính toán một

cách chính xác để hiệu quả là tốt nhất.

[1] GS.TSKH Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật Anten

[2] Tài liệu thực tập cao học, Bộ môn Thông tin vô tuyến