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

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LÊ HUỲNH LAM TIỂU LUẬN CUỐI KỲ Mơn 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 Mơn học: Anten truyền sóng Lớp: 18ĐHĐT02 - 010100020002 Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2021 Thơng tin chung Họ tên sinh viên: LÊ HUỲNH LAM MSSV: 1853020048 Lớp: 18ĐHĐT02 Khóa: K18 Chuyên ngành: Điện tử viễn thông Mã chuyên ngành: ĐTVT SĐT: 0766108826 Email: vuichi456@gmail.com Địa liên hệ: 98/2 Nguyễn Lâm, phường 3, quận Bình Thạnh, Thành phố Hồ Chí Minh Tên tiêu luận: Phân tích đặc tính Anten áp dụng cho Anten Parabol Lời nói đầu Em xin cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Lành hỗ trợ, giảng dạy, hướng dẫn em thực tiểu luận mơn Anten truyền sóng Qua trình học tập, em nắm sở lý thuyết, vận dụng thực tế Anten việc thực thu truyền sóng Tiểu luận tìm hiểu nghiên cứu, phân tích đặc tính Anten nói chung áp dụng cho Anten Parabol Trong ngành viễn thơng, việc tính tốn đặc tính, phối hợp trở kháng điều bắt buộc Anten Parabol sử dụng nhiều thu tín hiệu hộ gia đình (truyền hình kênh K+), hay Anten có kích thước lớn sử dụng thu tín hiệu vệ tinh Chương Các đặc tính Anten Để đánh giá, lựa chọn, áp dụng vào sử dụng thực tiễn cần nắm lý thuyết, đặc tính, tham số Sau tham số Anten 1) Trường điện từ công suất trường điện từ xạ từ anten - Vector mật độ công suất: ⃗ W ( r⃗ )=ℜ ⃗ E ( ⃗r ) × ⃗ H ( r⃗ ) [ ] ¿ 2 [ F ( θ , ϕ )| +|F ϕ ( θ , ϕ )| ] r⃗ | θ Zc r - Mật độ công suất : W ( r⃗ )=|⃗ W ( ⃗r )| - Góc khối: Góc khơng gian ba chiều tương ứng vật thể với điểm cho trước, tương tự với khái niệm góc sử dụng cho mặt phẳng hai chiều Góc khối xác định tỉ lệ diện tích hình chiếu vật thể lên hình cầu có tâm điểm quan sát Trong hệ tọa độ cầu: d Ω=sinθ dϕdθ - Góc khối anten góc khối theo chum anten khảo sát Cơng suất chảy qua góc khối với tồn công suatas xạ anten Với giả thuyết cường độ xạ phân bố góc khối phân bố có độ lớn cường độ xạ cực đại anten khảo sát - Cường độ xạ: công suất đơn vị góc khối theo hướng U ( θ , ϕ )=r W ( r⃗ ) - Công suất xạ từ anten: P R=∯ U ( θ , ϕ ) d Ω 2) Trở kháng hiệu suất anten Công suất từ máy phát đưa cho Anten gặp tổn hao nhiệt vật dẫn, mát cảm ứng che chắn linh kiện phụ Khi tới Anten, công suất xạ là: P A =q t Ps | q t=1− Z A −Z s Z A+ Zs | Pbx =P A −Pth Trong :  Pbx cơng suất Anten xạ  P A công suất máy phát đưa tới Anten  Pth công suất tổn hao  Ps công suất nguồn với Zs trở kháng nguồn Tổn hao xạ ta xem tương đương điện trở Rth điện trở tượng trưng, dùng để đánh giá khả xạ anten: Rbx Lúc xem: P A =I ( R th + Rbx ) Hiệu suất: tỉ số công suất xạ công suất phát : η= Pbx R bx = P A R bx + Rth 3) Sự phân cực Khi quan sát trường xạ vùng xa Anten Tai vị trí quan sát xem trường xạ anten sóng phẳng: vector truyền điên E trường từ H vng góc với vng góc với phương truyền sóng Khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng vector trường cố định quay - Nếu phương cố định: phân cực tuyến tính - Nếu phương vẽ thành vịng trịn: phân cực tròn - Nếu phương vẽ thành elip: phân cực elip Sự đặc trưng phân cực anten thể qua vector phân cực: Ta có: F ¿ )¿ 2 √|F ( θ , φ )| +|F ( θ , φ )| ⃗p(θ , φ)= θ φ Fθ ( θ , φ ) ⃗θ+ F φ ( θ , φ ) ⃗φ F(θ ,φ) − jkr =>⃗E ( ⃗r )= e r F ¿ )⃗p(θ , φ) − jkr e =>⃗H (⃗r )= Z c r F ¿)¿] 4) Hàm tính hướng: Hàm tính hướng thơng số đặc tả hướng tính anten Anten xạ vơ hướng hay có hướng, hướng cực đại từ xác định vị trí đặt anten Hàm tính hướng hàm số biểu thị phụ thuộc cường độ trường xạ anten theo hướng khác không gian với khoảng cách không đổi, ký hiệu f(θ,φ) biểu thể dạng sau: Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng hàm vecto phức, bao gồm thành phần theo θ φ: ⃗f ( θ , φ )=f θ ( θ , φ ) ⃗ l θ +f φ ( θ , φ ) l⃗φ Biên độ hàm tính hướng modun hàm tính hướng phức: biểu thị quan hệ tương đối biên độ cường độ trường xạ: 2 |f (θ ,φ )|= √|f θ (θ ,φ )| +|f φ ( θ , φ )| Nhằm dễ dàng thiết lập phân tích đồ thị phương hướng, ta dùng hàm chuẩn hóa, biểu thị biên độ cường độ trường hướng khảo sát so với biên độ cường độ trường lớn nhất: F (θ , φ)= |f ( θ , φ )| |f ( θ , φ )max| U n ( θ , φ )= |U ( θ , φ )| |U ( θ , φ )max| - Hàm hướng tính chuẩn hóa - Cường độ xạ chuẩn hóa U n ( θ , φ )=F ( θ , φ ) 5) Đồ thị phương hướng độ rộng búp sóng Đồ thị phương hướng biểu diễn quan hệ cường độ trường xạ công suất xạ anten hướng khác với khoảng cách khảo sát cố định Đồ thị có chiều, dạng hình khối Để đơn giản đồ thị phương hướng thường vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa gọi đồ thị phương hướng chuẩn hóa anten Giá trị xạ thay đổi theo biến đổi góc phuong hướng khác Đẻ đánh giá dạng đồ thị, ta sử dụng khái niệm độ rộng búp sóng Góc hai hướng àm theo hai hướng dó cường độ trường công suất xạ giảm giá trị định Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, Độ rộng búp sóng nửa cơng suất góc hai hướng mà cơng suất giảm ½ so với công suất tối đa Nếu theo giá trị cường độ, độ rộng búp sóng ứng với điểm mà cường độ ½ cường độ xạ cực đại Nếu tính theo đơn vị độ mạnh decibel, tỉ số cơng suất ½ tức cơng suất giảm 10lg(1/2)= 3dB Như độ rộng búp song thể tính chất tập trung lượng xạ theo hướng Góc hướng bé anten tập trung nặng lượng xạ mạnh Độ rộng nửa công suất(HPBW): số đo góc bao quanh hướng xạ cực đại với cường độ xạ chuẩn hóa anten lớn ½ Góc giá trị hàng đầu khơng (BWFN): góc giá trị khơng đồ thị cường độ xạ kẻ với búp 6) Hệ số hướng tính hệ số khuếch đại anten Bên cạnh thông số độ rộng búp sóng, người ta cịn dựa vào hệ số hướng tính hệ số khuếch đại Các thơng số cho ta biết tính phương hướng hiệu xạ anten so với anten lý tưởng (anten chuẩn) Từ lựa chọn anten phù hợp với tuyến thơng tin Anten lý tưởng anten có hiệu suất tối đa 100% lượng đồng hướng - Hệ số hướng tính: Đây tỉ số mật độ công suất xạ anten hướng so với mật độ cơng suất xạ chuẩn hướng với điều kiện công suất, khoảng cách Cường độ xạ anten chuẩn: Ua= Pr = ∯ U (θ , ϕ) d Ω 4π 4π Hệ số định hướng: D ( θ , φ )= U (θ , φ) Ua Dmax=max ⁡[D ( θ , φ ) ] - Hệ số khuếch đại (độ lợi): khái niệm sử dụng thực tế hệ số D Thể đầy đủ độ hướng tính hiệu suất anten: G ( θ , φ )=ηD ( θ , φ ) G ( θ , φ )= π U (θ , φ) PA G max =MAX [G ( θ , φ ) ] 7) Anten thu Công suất nhận máy thu: 10 P L=qr Pc Với Pc công suất anten thu q r hệ số tổn hao, q r=1với phối hợp trở kháng máy thu q r= RA RL |Z L + Z A| Mối liên hệ công suất thu công suất phát: Công thức truyền dẫn Friis P L= λ2 e r qr Dr (θr , ϕr )|⃗ pr ( θr , ϕ r ) ⃗ pt ( θt , ϕt )| Dt ( θt , ϕt ) et q t Ps ( πr)2 e r q r: Hệ số thể mát phía thu e t q t: Hệ số thể mát phía phát |⃗pr ( θ r , ϕr ) ⃗p t ( θt , ϕt )| : Hệ số thể mát phối hợp phân cực tuyến anten λ2 : Hệ số mát không gian (4 πr ) 11 Chương Anten Parabol (Anten chảo) Anten phản xạ hình parabol thường gọi anten chảo cung cấp giải pháp anten thu phát Very High Frequency (VHF) hệ thống yêu cầu độ lợi lớn định hướng 1) Giới thiệu chung Anten Parabol Anten chảo dạng anten sử dụng phổ biến thu sóng truyền hình nội đia, liên kết liệu viba mặt đất, thông tin liên lạc vệ tinh chung nhiều Kích thước định dải băng thơng, thường bị giới hạn để sử dụng 1GHz, ăng-ten lớn sử dụng cho tần số xuống khoảng 100MHz Anten phản xạ parabol anten đĩa biết đến với hình dạng đặc biệt, độ lợi cao đường truyền tia hẹp Anten chảo thường có độ lợi cao (30-40 dB) phân cực chéo thấp 12 2) Cấu tạo, đặc điểm Anten Parabol  Anten bao gồm thành phần tất loại Anten chảo: - Hệ thống xạ: Phần tử xạ bên ăng ten phản xạ parabol có nhiều dạng khác Trong số ăng-ten, lưỡng cực đơn giản, số ăng-ten khác Anten Horn Mục đích xạ vào phản xạ với mật độ xạ đồng - Bộ phản xạ hình parabol: Bộ phản xạ phận đặc biệt ăng ten phản xạ hình parabol Hình dạng parabol chìa khóa cho hoạt động anten RF đường dẫn lấy từ tiêu điểm đến gương phản xạ sau song song với  Phản xạ parabol hình thành từ hình dạng gọi paraboloid Hình dạng tạo thành bề mặt phản xạ anten cho phép sóng phản xạ bề mặt giữ lại mối quan hệ pha chúng, cho phép thu độ lợi lớn Nói cách khác, lượng RF dạng sóng điện từ truyền phía anten mặt phẳng sóng bị phản xạ phản xạ trì pha tiêu điểm Bằng cách này, tồn tín hiệu pha khơng có bị triệt tiêu Điều có nghĩa tín hiệu tối đa trì  Các thông số Anten Parabol: - Tiêu điểm: Là điểm mà tín hiệu đến tập trung Khi xạ từ điểm này, tín hiệu phản xạ bề mặt phản xạ truyền theo chùm song song để cung cấp độ lợi độ rộng chùm tia cần thiết - Đỉnh (Vertex): Là điểm tâm mặt phản xạ hình parabol - Độ dài tiêu cự (Focal length): Là khoảng cách từ tiêu điểm đến đỉnh 13 - Khẩu độ gọi "độ mở" khu vực mà bao phủ Đối với gương phản xạ hình trịn, điều mơ tả đường kính Nó ví độ ống kính quang học - Độ lợi: thơng số quan trọng phụ thuộc vào số yếu tố bao gồm đường kính đĩa, bước sóng yếu tố khác - Hệ thống cấp liệu: Bộ phản xạ hình parabol anten chảo cấp theo nhiều cách khác Nguồn cấp liệu trục phía trước, lệch trục, Cassegrain Gregorian bốn phương pháp Với hệ thống thu truyền hình nước sử dụng thành phần: điểm xạ gương phản xạ kết hợp loại hình đơn giản hiệu nhất, khơng giống hồn tồn so với anten Parabol truyền thống Vì hộ gia đình cần giải pháp tối ưu hóa số tiền bỏ ra, hạn chế học, sản xuất kích thước 14 3) Độ dài tiêu cự - Không giống anten lưỡng cực thường dài khoảng nửa bước sóng, đĩa phản xạ phải lớn nhiều so với kích thước bước sóng Đĩa có đường kính vài bước sóng, Khoảng cách anten nguồn cấp liệu phản xạ thường vài bước sóng - Khoảng cách từ tiêu điểm tới điểm bề mặt hệ thống phản xạ  Xác định khoảng cách focal point nhằm đặt vị trí tiêu điểm: F = D tan ⁡(θ¿¿ /2)=¿ F= Trong đó: D2 ¿ 16 H F focal length; D đường kính chảo phản xạ; H độ sâu chảo 15 4) Xác định độ lợi anten Parabol Độ lợi anten chảo tính tốn xác định từ mối quan hệ với đường kính chảo, bước sóng,… Đại lượng độ lợi định quan trọng việc xây dựng hệ thống anten Parabol Tại tần số microwave, anten Parabol phù hợp với việc hoạt động điều kiện khắc nghiệt trời với mức khuếch đại cao, mạnh mẽ, nhiều anten khơng có khả tàn số microwave Các yếu tố định độ lợi: - Đường kính bề mặt phản xạ: tỉ lệ thuận với độ lợi, đường kính lớn độ lợi lớn - Bước sóng hoạt động: tỉ lệ nghich với độ lợi, phản xạ sử dụng tần số khác nhau, cho độ lợi khác - Hiệu suất anten: ảnh hưởng đáng kể (50-70%) đến hệ số khuếch đại Công thức xác định độ lợi: πD G(dB)=10 log 10 k ( ) λ G độ lợi đơn vị dB k hiệu suất chiếu sáng, thường 50% đến 70% tùy theo khả gia cơng D la đường kính gương phản xạ λ bước sóng tín hiệu 16 5) Hiệu suất tăng ích k xác định dựa vào thực tế: k =k r k t k s k m Trong đó: k r, hiệu suất xạ: phụ thuộc vào tổn hao điện trở antenm, thực tế anten Horn suy hao bề mặt phản xạ làm kim loại nên hiệu suất xạ gần k t, hiệu suất lan tỏa: thực tế số xạ khỏi mép gương phản xạ làm giảm hiệu suất, điều kiện lý tưởng bề mặt phản xạ hứng xạ đầy đủ k s,hiệu xuất xạ độ: anten có độ lợi lớn E-field đồng biên độ pha toàn bề mặt phản xạ Tuy nhiên cạnh xạ so với trục trung tâm bề mặt phản xạ dẫn đến độ lợi thấp mát ghi nhận hiệu suất k m, hiệu suất sử dụng để biểu diễn tổng hợp đa dạng thành phần làm suy giảm độ lợi khó xác định: - Lỗi bề mặt: xác bề mặt phản xạ ảnh hưởng tới độ lợi, đặc biệt với tần số cao có bước sóng nhỏ - Phân cực chéo: phân cực tín hiệu truyền thu phải phù hợp, khơng có suy hao với sin góc phân cực - Che độ: cấu trúc vật lý để giữ nguồn cấp liệu che khuất môt số xạ từ gương phản xạ - Non-single tiêu điểm: tiêu điểm gương phản xạ điểm nhất, Tuy nhiên anten thường mở rộng bên tiêu điểm phản xạ 17 6) Tính tốn độ rộng tia anten parabol Độ rộng chùm tia định nghĩa điểm mà cơng suất giảm xuống cịn nửa mức cực đại, tức điểm -3dB biểu dộ mẫu xạ ψ= 70 λ D 7) Hệ thống cấp liệu (Feed Systems) Đây số loại hệ thống cấp nguồn phản xạ khác sử dụng loại có đặc điểm riêng, phù hợp với yêu cầu ứng dụng - Focal feed system: bao gồm phần tử xạ dipole đơn giản anten horn, đặt tiêu điểm Phần tử xạ chiếu vào bề mặt phản xạ, phản xạ lượng khỏi anten Dạng sử dụng phổ biến đơn giản có nhược điểm cấu trúc chặn số chùm tia làm giảm hiệu suất 55-60% 18 - Cassegrain feed system: phức tạp so voi focal feed system yêu cầu bề mặt phản xạ thứ hai có ưu điểm chiều dài tổng thể ngắn chiều dài phần tử xạ gương phản xạ, làm ngắn chiều dài vật lý Hiệu suất 65-70% - Gregorian parabol reflector feed: giống với Cassegrain gương phản xạ thứ cấp dạng lõm Hiệu suất cải thiện 70% 19 - Offset feed system: nguồn cấp liệu bù đắp tâm chảo anten Gương phản xạ sử dụng ½ hình parabol so với gương thông thường Bằng cách tiêu điểm anten đặt bên bề mặt phản xạ Ưu điểm di chuyển tiêu điểm khỏi đường chùm tia tránh chặn chùm tia Hệ thống sử dụng nhiều anten truyền hình vệ tinh gia đình 20 Ví dụ: cho 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 70% Giải: c 108 λ= = =0.03 m f 10 109 Độ lợi: G ( dB )=10 log 10 k πD =38 dB λ ( ) 70 λ Độ rộng tia: ψ= D = (độ) D2 0.92 = =0.253 m Độ dài đặt tiêu điểm (focal length): F= 16 H 16 x 0.2 21 Mơ ví dụ khác phần mềm CST Studio Suite 2019: 1) Thiết kế mặt gương Parabol từ đồ thị A∗t2 đường trịn bán kính 81mm 2) Thiết kế Horn antenna cách gương đoạn F 22 8) Ưu nhược điểm Anten Parabol Ưu điểm: - Độ lợi lớn: kích thước gương phản xạ lớn độ lợi lớn - Độ tính hướng cao: độ lợi cao, độ rộng chùm tia hẹp, lợi tránh gây nhiễu cho người khác quan trọng giao tiếp vệ tinh, cho phép vệ tinh sử dụng dải tần số phân tách theo khoảng cách, góc ngẩng anten Nhược điểm: - Chi phi cao - Kích thước lớn so với loại anten khác - Yêu cầu feed system phải đặt tiêu điểm phản xạ 9) Ứng dụng thực tế: Có nhiều lĩnh vực viễn thơng sử dụng - Truyền hình vệ tinh: hình thức phân phối chủ yếu truyền hình Truyền hình phủ sóng rộng, kiểm sốt băng thông lớn cho phép phát nhiều kênh - Các liên kết viba: cung cấp tảng cho hệ thống viễn thông di động - Truyền thông qua vệ tinh: nhờ đặc tính độ lợi cao, ảnh hưởng vệ tinh khác khu vực - Thiên văn học: địi hỏi độ thu tính hương cao 23 ... thuyết, vận dụng thực tế Anten việc thực thu truyền sóng Tiểu luận tìm hiểu nghiên cứu, phân tích đặc tính Anten nói chung áp dụng cho Anten Parabol Trong ngành viễn thơng, việc tính tốn đặc tính, ... tiêu luận: Phân tích đặc tính Anten áp dụng cho Anten Parabol Lời nói đầu Em xin cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Lành hỗ trợ, giảng dạy, hướng dẫn em thực tiểu luận mơn Anten truyền sóng Qua trình học. .. Anten Parabol sử dụng nhiều thu tín hiệu hộ gia đình (truyền hình kênh K+), hay Anten có kích thước lớn sử dụng thu tín hiệu vệ tinh Chương Các đặc tính Anten Để đánh giá, lựa chọn, áp dụng vào