đồ án thiết kế mạch anten

đồ án thiết kế mạch anten

PHAÀN 1

LYÙ THUYEÁT

ANTEN

CHƯƠNG I : KHÁI NIỆM TRƯỜNG ĐIỆN

TỪ

-oOo -I Đặc điểm sóng điện từ.

Toàn bộ lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở của sóng điện từ Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian thống nhất tạo thành trường điện từ

Trường điện từ là một dạng vật chất cơ bản, chuyển động với vận tốc c trong mỗi hệ quy chiếu quán tính trong chân không; nó thể hiện sự tồn tại và vận động qua những tương với một dạng vật chất khác là những hạt hoặc những môi trường chất mang điện

Trường điện từ có mang năng lượng và nhiệt độ:

Trường điện từ đặc trưng bởi các đại lượng sau :

E : vector cường độ điện trường ( mV)

D : Vector cảm ứng điện (mC2)

B: Vector cảm ứng từ (Wbm2 )

H : Vector cường độ từ trường ( mA)

Trường điện từ được biểu diễn qua hệ thống phương trình Maxwell

∂

∂+

D = εE= εοεrE ( 2

m

C) (1.5)

HH

J :thông lượng vector mật độ dòng dẫn ( 2

m

A)

ρ: phân bố điện tích khối ( 3

m

C)

γ : độ dẫn điện của môi trường dẫn (

m

sm

Đối với môi trường chân không )

m

F(36

10 9

π

=ε

=

101

Đối với môi trường chân không )

m

H(10

4 −7

µ

=µ

1

µ : đối với môi trường thông thường

Nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và từ trường.

Ý nghĩa hệ phương trình Maxwell.

- Phương trình Maxwell (1.1)và (1.2) nêu rõ từ trường và điện trường biến thiên luôn gắn bó với nhau và luôn có tính chất xoáy

- Phương trình Maxwell (1.3)và (1.4)mô tả dạng hình học của hai mặt thể hiện điện trường và từ trường.

II Sóng điện từ :

Phương trình sóng điện từ có dạng

E = Eo cos( t - V x )

Tương tự : B = Bo cos( t - ) V x

Eo , Bo , phụ thuộc điều kiện đầu.

Hàm E ( x,t ) và B ( x,t ) là các hàm sóng, như vậy điện trường

và từ trường lan truyền trong không gian dưới dạng sóng

Vậy sóng điện từ là trường điện từ biến thiên truyền đi trong không gian Sự lan truyền của sóng điện từ thể hiện qua sự lan truyền năng lượng điện từ, các cường độ trường (sóng E, sóng H )và các thế (sóng A, sóng ϕ)

Theo dạng các mặt phẳng đồng pha của sóng điện từ mà ta có sóng điện từ phẳng, sóng trụ hoặc sóng cầu Sóng điện từ phẳng là sóng điện từ có mặt đồng pha là mặt phẳng, phương truyền của sóng phẳng ở mọi nơi đều vuông góc với một mặt phẳng xác định

Sóng điện từ được gọi là đơn sắc hay đều hòa nếu các vector cường độ điện trường, từ trường biến đổi hình sin theo thời gian với một tần số wxác định

- Sóng phẳng gọi là sóng phẳng đồng nhất nếu vector E,H của sóng phụ thuộc chỉ một tọa độ không gian

- Sóng trụ tròn là dạng sóng mà trường và năng lượng lan truyền theo chiều bán kính r tỏa từ một trục ra không gian xung quanh hoặc hướng vào trục

Tính chất của sóng điện từ tồn tại trong môi trường chất và trong môi trường chân không

a Sóng điện từ có chức năng:

- Tạo chùm tia công suất theo một hướng định trước

- Lái chùm tia để một khu vực nào đó có thể được bao phủ sóng.

- Cho phép đo đạc thông tin về góc để có thể xác định hướng

b Sóng điện từ là sóng không gian Tại mọi điểm trong không gian,

phương E , B đều vuông góc với phương truyền sóng Ta nói sóng điện từ phẳng thuộc loại sóng điện từ ngang TEM

c E , H luôn cùng pha và có trị số luôn tiû lệ với nhau.

d Biên độ điện trưồng và từ trường của sóng giữ không đổi trong quá

trong đó β gọi là hệ số pha (rad/m)

f Năng lượng và năng thông

- Năng lượng sóng điện từ là năng lượng của trường điện từ

Năng lượng này tồn tại trong vùng không gian có sóng điện từ

- Năng thông là năng lượng truyền đi một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian

Định nghĩa :Vectơ Poynting.

Là vector mật độ dòng công suất điện từ, vector đó bằng công suất điện từ chảy qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với dòng chảy ExH

=

δ

III Sóng điện từ trong môi trường bán dẫn điện đồng chất:

Ta có điện dẫn suất của môi trường γ ≠ 0 khi đó hệ thống các phương trình Maxwell là:

Nếu nguồn trường biến thiên theo qui luật điều hòa

E=Re(Eejwt. ) (1.9)

Re là phần thực của đại lượng phức Từ các phương trình liên hệ, lấy đạo hàm (1.9), kết hợp với các phương trình liên hệ và so sánh với phương trình Maxwell ta có:

)

m

F()i1

γ

−ε

=ε

Từ sự tương ứng trên sau khi khảo sát người ta rút ra kết luận :

1 Sóng thộc loại sóng ngang

2 Vectơ cường độ điện trường và từ trường vuông góc với nhau và cả

hai đều vuông góc với phương truyền sóng

3 Sóng lan truyền bị môi trường hấp thụ làm suy giảm biên độ Mức độ

suy giảm theo hàm mủ đặc trưng bởi thừa số với σ = ρ

4 Điện trường và từ trường truyền đi với vận tốc giống nhau v= c/n

120

n2 2 Em (

m

A)

Qua biểu thức của hệ số hấp thu (1.10)ï ta thấy rằng khi điện dẫn càng tăng và bước sóng càng ngắn thì hấp thụ càng nhiều

Truyền sóng qua môi trường bán dẫn điện (mặt đất, mặt biển) để giảm bớt tổn hao nên dùng sóng có bước sóng lớn

IV Sóng vô tuyến:

1 Đặc điểm của sóng vô tuyến:

Sóng vô tuyến có chung đặc tính với các dạng chuyển động khác Có thể nói một cách gần đúng, chuyển động sóng là bao gồm sự kế tiếp liên tục những đỉnh sóng và đáy sóng với những khoảng cách bằng

nhau và chuyển động theo một tốc độ cố định Ví dụ ta nhìn một mảnh

gỗ nổi trên mặt nước bị nâng lên và hạ xuống khi sóng đi qua, nhưng nếu không có gió và dòng nước thì nó sẽ không dịch chuyển về bất cứ hướng nào Điều đó chỉ ra rằng sóng được tạo ra đầu tiên bởi một sự biến động nào đó ở xa, tịnh tiến qua môi trường (trong trường hợp này là biển) với một tốc độ cố định nhưng bản thân môi trường thì không

dịch chuyển Khoảng cách giữa hai sóng liên tục gọi là bước sóng (kí

hiệu λ) Một dao động hoàn chỉnh từ một đỉnh sóng qua đáy sóng đến

đỉnh sóng kế tiếp gọi là chu kì Số chu kì sóng đi qua một điểm cố định trong một khoảng thời gian cho sẵn gọi là tần số (kí hiệu f), có thể giải

thích tần số bằng số chu kì trên giây gọi là Hez (Hz) Rõ ràng là số chu

kì trong một giây phụ thuộc vào bước sóng và tốc độ mà sóng truyền

lan (tốc độ kí hiệu là c) Sóng có bước sóng 2m chuyển động với tốc độ

10m trên giây phải dao động với tần số là 5 chu kì trên giây.Mối quan hệ giữa các yếu tố như sau:

Tốc độ bằng tần số x bước sóng

Hoặc C = f x λ (1.11)

Bằng cách suy luận từ sóng biển có thể chứng minh được sự thật xa hơn Một hòn đá ném xuống hồ cho thấy sóng sẽ truyền lan ra với tốc độ cố định ở mọi hướng nếu như nó không bị cản trở

Sóng vô tuyến có đầy đủ các đặc tính vừa mô tả khác nhau về bản chất ở chổ sóng vô tuyến là sóng điện từ nó tạo nên bởi trường điện và trường từ, mà không phải là chấn động cơ học Sóng điện từ có đặc tính với sóng ánh sáng, mặc dù bước sóng của chúng dài hơn yếu tố này ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của chúng Khi nói đến chúng người ta thường dùng khái niệm điện hơn khái niệm từ, cường độ của chúng

đựơc đo bằng vol/ m , công suất đo bằng oat/ m Sự tồn tại của năng 2

lượng trong sóng điện từ được chứng minh bởi một sự thực là nó cảm ứng dòng điện trong vật chất mà nó tiếp xúc Sóng vô tuyến có trục điện và trục từ vuông góc nhau Sự định hướng các trục này trong không gian gọi là phân cực và chúng đựơc biểu diễn theo hướng của trục điện Bước sóng của sóng vô tuyến hiện nay thường nằm trong khoảng 20.000m đến 4mm Tốc độ của chúng trong không gian tự do là cố định khoảng 300 triệu mét hoặc 161800 hải lý trên giây Giá trị này được sử dụng rộng rãi khi xét sự truyền lan của sóng trong khí

quyển Vì tốc độ là cố định, khi tần số tăng thì bước sóng giảm Ví dụ

dưới đây chỉ rõ công thức đưa ra ở trên được sử dụng như thế nào để đổi bước sóng ra tần số: Hãy tìm tần số của một đài phát sóng vô tuyến phát trên bước sóng 1500m.

000.000

Tần số sóng vô tuyến thường được đo bằng các bội số của Hz như:

1 kilôhec (Khz) = 103Hz, 1mêgahec (Mhz) = 106 Hz, 1gigahec (Ghz)=109 Hz

Đối với một khoảng cách thời gian rất ngắn, thời gian thường được tính bằng micrô giây( tức một phần triệu của giây) Sóng vô tuyến có

bước sóng ngắn như vậy gọi là sóng siêu ngắn (viba ).

Từ những so sánh đơn giản ở trên ta hiểu được bản chất chung của sóng vô tuyến Thuộc tính của chúng phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp bức xạ chúng vào không gian Nhưng điều cần nói ở đây là sóng vô tuyến có thể được tập trung lại thành chùm tia theo một hướng nhất định và có thể bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ hay nhiễu xạ giống như sóng ánh sáng tùy thuộc vào bản chất môi trường mà chúng đi qua và những mục tiêu mà chúng tiếp xúc

2 Sự định hướng.

Ta chỉ xét thời điểm mà lúc sóng bắt đầu truyền trong không gian Kích thước cần thiết của bộ phản xạ để tập trung sóng vô tuyến vào một chùm tia với độ rộng cho trước, phụ thuộc vào bước sóng được sử dụng, bước sóng càng dài thì bộ phản xạ càng rộng Vì vậy để có một bộ phản xạ có kích thước thích hợp, để nhận được một chùm tia hẹp phải sử dụng sóng có bước sóng rất ngắn Với bước sóng 3cm bộ phản xạ rộng 5 fút thì sẽ cho một chùm tia rộng khoảng 1.5 độ với bộ phản xạ rộng 10 fút sẽ cho chùm tia rộng 0.75 độ

Độ chính xác của việc do hướng chỉ cần thiết trên mặt phẳng ngang tức là phương vị Chúng ta dễ nhận thấy rằng, ở bất kỳ phương vị nào chùm tia càng rộng thì cường độ của nó càng yếu

Bộ phản xạ phát năng lượng đi theo một chùm tia hẹp với góc độ nhất định, năng lượng ấy được phát từ tiêu điểm mặt phản xạ thì bộ phản xạ cũng tập trung tất cả năng lượng từ nguồn bên ngoài đi đến nó rồi phản xạ về cùng một tiêu điểm ấy theo cùng góc độ như lúc nó phát

đi Điều đó nói lên rằng anten có tính định hướng cho cả thu và phát Nó không những có lợi cho độ chính xác của việc do hướng mà còn làm tăng cường độ của sóng thu được

Sự suy giảm cường độ tín hiệu theo khoảng cách: cường độ của tín

hiệu thu được ở một điểm sẽ biến đổi khi thay đổi khoảng cách của điểm đó đến máy phát như sau:

+ Cường độ trường( đo bằng vol/ m ) tỉ lệ nghịch với khoảng cách + Công suất( đo bằng oat/m ) tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng 2

cách ï

V Công suất truyền sóng lý tưởng

Giả sử nguồn bức xạ là đẳng hướng và được đặt trong một không gian tự do Nghĩa là trong một môi trường đồng nhất, đồng hướng không hấp thụ và có hệ số điện thẩm tương đối bằng một

Ta tính mật độ thông lượng năng lượng của trường bức xạ ở một khoảng cách kể từ nguồn và giả thuyết là năng lượng bức xạ phân bố đồng đều trên mặt cầu bán kính r

Biểu thị công suất bức xạ bằng W Đơn vị chiều dài là m , ta có biểu thức thông lượng năng lượng qua một đơn vị điện tích của mặt cầu bán kính r trong một đơn vị thời gian là:

S = (W/m )

r4

2 2

trình D, hệ số D là một hệ số đặc trưng cho mật độ tập trung năng

lượng bức xạ của anten theo một hướng nào đó Có thể hiểu một cách

đơn giản như sau: một anten có hướng công suất bức xạ P và có hệ số tính phương hướng ở một hướng nào đó là D sẽ tạo ra điểm thu ở hướng đó một cường độ trường có trị sẽ giống như một anten về hướng có công suất PD tạo ra Như vậy việc sử dụng anten có hướng sẽ tương đương với việc tăng công suất bức xạ lên so với anten vô hướng khi đó:

w 2π

= là hệ số sóng

λ: bước sóng không gian tự do

Trường hợp nguồn bức xạ không phải đặt trong không gian tự do mà đặt trên mặt đất dẫn điện lý tưởng, khi ấy năng lượng sẽ phân bố theo một nữa hình cầu, trị số D sẽ tăng gấp đôi và cường độ trường sẽ tăng lên 2 lần

VI Phân loại sóng theo vô tuyến điện theo băng sóng và theo phương thức lan truyền

Các sóng vô tuyến điện chia thành 5 băng sóng

1 Sóng cực dài: sóng có bước sóng lớn hơn 10.000 m (tần số thấp hớn 30

Khz )

2 Sóng dài: là sóng có bước sóng từ 10.000 m đến 1.000 m.

3 Sóng trung: là sóng có bước sóng từ 1.000 m đến 100m ( tần số

a Những sóng vô tuyến điện lan truyền ở mặt đất sẽ lan truyền theo

đường thẳng với vận tốc không đổi Do sự có mặt của mặt đất là dẫn điện, một mặt gây phản xạ sóng, làm biến dạng cấu tạo của sóng và gây ra hấp thụ sóng trong đất, mặt khác bị cuốn đi theo độ cong mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ Những sóng này gọi là sóng đất Vậy sự lan truyền sóng đất có thể bao gồm tất cả các băng sóng đã nêu ở trên

b Tầng đối lưu là một lớp khí quyển nằm trực tiếp sát mặt đất lên đến

độ cao khoảng 10 – 15 km Đó là một môi trường không đồng nhất

c Những sóng vô tuyến điện được truyền đi do sự khuếch tán trong

tầng đối lưu gọi là sóng tầng đối lưu Những sóng với bước sóng ngắn hơn

10 m mới có thể truyền đi theo dạng này Tầng điện ly là một miền của khí quyển cao nằm từ độ cao 60 km đến 500 km trên mặt đất Tầng điện

ly là môi trường bán dẫn điện và sóng có thể phản xạ, từ đó ở những sóng dài hơn 10 m Ở tầng điện ly là môi trường không đồng nhất nên nó có khả năng khuếch tán sóng truyền đến những sóng ngắn hơn 10m

Như vậy, những sóng vô tuyến điện được truyền đi

do sự phản xạ (một lần hoặc nhiều lần ), hoặc do khuếch tán từ tầng điện ly gọi là sóng điện ly.

VII Truyền sóng của những dải sóng khác nhau.

1 Đặc điểm lan truyền của sóng dài và sóng cực dài.

Từ việc truyền sóng ở trên mặt đất tầng đối lưu, tầng điện ly ở phần trước ta sẽ rút ra kết luận cho việc truyền sóng của từng dải trong phương thức nào cho thích hợp

Đối với sóng dài và sóng cực dài, mặt đất có tính dẫn điện tốt

Do đó khi truyền sóng theo phương thức sóng đất nó sẽ bị mặt đất hấp thụ ít hơn đối với sóng trung và sóng ngắn Mặt khác, do bước sóng của dải sóng này khá lớn có thể so sánh với độ cong mặt đất nên sóng mặt đất có thể lan truyền theo phuơng thức nhiễu xạ Uốn cong theo mặt đất và đạt cự ly khá lớn Do những lý do trên sóng dài và sóng cực dài có thể truyền lan theo phương thức sóng đất để đạt đến những cự ly khoảng 3000 km

Với những cự ly lớn hơn 3000 km phải thực hiện sự truyền sóng bằng tầng điện ly vì bước sóng lớn nó bị tầng điện ly hấp thụ mạnh nên người ta ít sử dụng

Khi lan truyền sóng dài và cực dài, người ta quan sát còn thấy hiện tượng đối cực Biết rằng, càng đi xa đài phát thì cường độ trường càng giảm nhỏ Nhưng nếu tăng cự ly lên nữa thì sẽ đến một miền mà

ở đó cường độ trường lại tăng lên Miền này nằm đối diện với đài phát qua tâm trái đất và gọi là miền đối cực.

Sóng dài và sóng cực dài không bị hiện tượng fading so với các sóng khác nó truyền đi không được xa nhưng có ưu điểm là ổn định

Ở các nước ôn đới người ta sử dụng các loại sóng này dùng cho đài phát thanh địa phương và thông tin cự ly gần không quá 1000 km

Ở các nước nhiệt đới như Việt Nam sóng này bị ảnh hưởng nhiều của điện trời (sầm sét, giông bảo, sự phóng điện của khí quyển ) nên không được sử dụng

2 Đặc điểm truyền của sóng trung :

Sóng trung được ứng dụng chủ yếu trong truyền thanh, nó thể lan truyền bằng sóng đất như sóng điện ly

Cự ly truyền lan của sóng trung bằng phương thức sóng đất không vượt quá 500km đến 700 km , với cự ly lớn hơn phải truyền lan bằng tầng điện ly

Sự biến đổi điều kiện truyền sóng về ban đêm và ban ngày.

- Ban đêm sóng trung truyền lan bằng cách phản xạ trên lớp E

(lớp E mật độ điện tử tương đối lớn ) nên về ban đêm có thể thực hiện bằng cả sóng đất lẫn sóng trời

- Ban ngày do sự xuất hiện của lớp D (có mật độ điện tích nhỏ )

nên sóng này sẽ cho truyền qua và chịu sự hấp thụ rất mạnh Ban ngày chỉ có hiệu quả đối với sóng đất

Sự nhiễu loạn của điện ly không có ảnh hưởng đến sóng trung vì sóng phản xạ ở lớp E là lớp rất ít bị phá hoại trong thời gian bảo điện ly.

 Hiện tượng fading của sóng trung :

Ở cự ly ngắn hiện tượng fading là hiện tượng giao thoa gọi là sóng đất và sóng trời

Ở cự ly xa hiện tượng fading là do giao thoa giữa sóng trời và sóng trời tại điểm thu Do mặt tầng điện ly thay đổi theo chiều cao, phản xạ của sóng cũng biến đổi dẩn đến sự thay đổi quãng đường đi của sóng

3 Đặc điểm truyền lan của sóng ngắn :

Sóng ngắn có thể truyền lan bằng sóng đất và sóng điện ly

Khi tần số tăng sự hấp thụ của mặt đất đối với sóng mặt đất sẽ tăng

Vì vậy, đối với sóng ngắn nếu dùng đài phát có công suất trung bình chỉ có thể truyền lan được bằng sóng đất trong cự ly không vượt quá vài chục km

Đối với cự ly lớn phải truyền sóng bằng sóng điện ly Khi ấy có thể dùng máy phát có công suất trung bình cũng có thể thông tin được và cự ly rất xa tới hàng nghìn km

CHƯƠNG II : SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VÀ THÔNG TIN VỆ

TINH.

-oOo -A Sơ lược về Anten.

Trong một hệ thống vô tuyến, một sóng điện từ lan truyền từ máy phát đến máy thu qua không gian Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai cách:

- Dùng các hệ truyền dẫn nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc

- Bức xạ sóng ra không gian Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do

Do đó thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ

không gian bên ngoài được gọi là Anten.

Anten là một thiết bị bức xạ và thu năng lượng

Chúng ta đã thấy anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì đã là hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ thì không thể không dùng đến thiết bị để bức xạ hoặc thu sóng điện từ Anten quyết định rất nhiều các tính chất khác nhau của tuyến thông tin liên lạc Anten có nhiều dạng và nhiều cấu trúc khác nhau có loại rất đơn

giản nhưng có loại rất phức tạp Ta có hai loại anten là anten vô hướng và anten có hướng.

a Anten vô hướng: là anten có bức xạ công suất một cách đồng nhất

trong một góc khối 4π

b Anten có hướng: là anten mà nó tập trung công suất theo một hướng nhất định vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số hướng tính D( θ,φ ) và

độ lợiG( θ,φ )

D( θ,φ) mô tả kiểu bức xạ, G( θ,φ ) cho ta biết sự tổn hao( nhiệt hay công suất bức xạ vào các búp phụ )

Tuy nhiên phần tử phát xạ chính và thu chính chính là phần tử đối xứng và không đối xứng

Thông thường giửa anten phát và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, gọi là fiđe Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong fiđe thành sóng điện từ do bức xạ ra không gian Anten thu thì có nhiệm vụ ngược với anten phát là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này được truyền theo các fiđe

Yêu cầu của thiết bị anten – fiđe là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây méo dạng tín hiệu

- Chấn tử đối xứng là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng khá phổ biến trong kỹ thuật anten Nó gồm hai dây dài bằng nhau(hình trụ, chóp, elipsôit) giữa dây fiđe như hình (2.1) Thường dùng nhất là chấn tử đối xứng có chiều dài bằng nửa bước sóng và được gọi là chấn tử nữa bước sóng

- Chấn tử không đối xứng có một đầu dây nối và một đầu của máy phát(hay máy thu )còn đầu còn lại của máy phát (hay máy thu ) thì được nối đất hình (2.2)

Tùy theo ứng dụng của anten trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa , rada mà người

ta dùng các kết cấu tương tự của anten

- Đối với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất ), để cho các máy thu đặc ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát Song anten cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết

- Trong thông tin mặt đất hay vũ trụ thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến điều khiển từ xa thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc hẹp trong không gian

Như vậy nhiệm vụ của anten không phải chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do mà phải bức

xạ sóng ấy theo những hướng nhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước.

I Nguồn bức xạ nguyên tố của anten.

Khi khảo sát của anten phức tạp, ta phải khảo sát các nguồn

bức xạ nguyên tố để làm cơ sở Nguồn bức xạ nguyên tố gồm có: lưỡng

cực điện và lưỡng cực từ.

1.Lưỡng cực điện.

Lưỡng cực điện là một đoạn dây dẫn mãnh và chiều dài l rất nhỏ so với bước sóng (l<< λ ) Trên lưỡng cực điện dòng điện xoay chiều tại mọi nơi đều cùng biên độ và pha

Ở khoảng cách xa r>>l cường độ điện trường xác định bằng biểu thức :

E(

r

e KIlsisn

xa của vòng dây và lưỡng cực này hoàn toàn giống nhau Có khái niệm như vậy làm cho bài toán bớt phần phức tạp

Theo nguyên lý đổi tần, thường bức xạ của lưỡng cực là :

θ

ϕ

r

E( θ )

Em(

r

e l j

r jK

II Các thông số của anten phát.

1 Điện trở bức xạ của anten Rbx (Ω ).

Rbx là 1 tham số biểu thị quan hệ giữa công suất bức xạ (W)

với dòng điện (A) chạy qua một điểm nào đó của anten

Rbx= ì

I

Pbx

(2.3)

Người ta thường xác định Rbx ở đoạn anten mà dòng điện có

biên độ cực đại hoặc ở các đầu vào

Rbx phụ thuộc vào kích thước của anten so với bước sóng, hình

dạng anten và các yếu tố khác Điện trở bức xạ là một hàm theo (l;λ )đối với chấn tử đối xứng, nó chỉ phụ thuộc vào độ dài chấn tử chứ không phụ thuộc đường kính của chấn tử

Bảng (1) Điện trở bức xạ của chấn tử đối xứng có đội dài khác nhau:

0.650 0.700 0.750 0.800 0.850 0.900 0.950 1.00

144 168 187 200 209 212 210 199

1.050 1.100 1.150 1.200 1.250 1.300 1.350 1.400

185 166 145 121 105 93 87 85

2 Tổng trở của anten :Ra

Tổng trở của anten gồm điện trở bức xạ (Rbx ) và điện trở tổn thao (Rth) Rth biểu thị năng lượng tổn hao vào việc nung nóng dây dẫn và vật cách điện

3.Hiệu suất của anten.

Hiệu suất của anten là quan hệ giữa công suất bức xạ (Pbx)với toàn bộ công suất đưa vào anten Toàn bộ công suất đưa vào anten được bằng công cộng với công suất tổn hao (Pth )

Rbx

Rth Rth

Rbx

Rbx Pth

Pbx

Pbx

A

A A

+

=+

=+

=

1

1)

Biểu thị sự phụ thuộc biên độ theo phương hướng bằng phương pháp toán học hoặc đồ thị.

Khi biểu thị đặc tính phuơng hướng bằng đồ thị người ta dùng các đường cong phẳng vẽ đặc tính phương hướng theo hai mặt phẳng chính, mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng (đối với mặt đất )

Búp của đặc tính phương hướng ứng với hướng phát cực đại gọi là búp chính còn các búp khác gọi là búp phụ

Ví dụ : búp hướng của anten đứng nối đất.

Hình 2-3.Búp hướng của anten nối đất

5 Hệ số tác dụng phương hướng D

Đó là tỷ số của bình phương cường độ trường ở hướng khảo sát trên cường độ điện trường trung bình hay nói cách khác đó là tỉ số của mật độ công suất bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách trên

D=

2

)(

60

)( 2r2

E

(2.10)

Chú ý : khi dùng anten có tính phương hướng thì điều quan trọng là

phải hướng thật đúng hướng bức xạ cực đại về phía mà ta định thông tin

6 Hệ số tăng tích của anten (G).

Hệ số tăng tích của anten là một thông số biểu thị cho đặc tính bức xạ của anten so với hệ số định hướng vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính định hướng của anten mà còn biểu thị sự tổn hao trên anten.

Hệ số tăng tích là tích số của hệ số tác dụng phương hướng

với hiệu suất anten G là một tham số đầy đủ hơn nhất vì nó không

những kể đến tác dụng phương hướng mà còn kể đến cả công suất tiêu hao vô ích trong anten

7 Đặc tính tần số với dải thông tần của anten.

Anten cũng là một hệ thống dao động có tính chọn lọc Anten phải bảo đảm được hiệu suất bức xạ cũng như đặc tính phương hướng trong bảng tần số làm việc Người ta chia ra :

a Anten dải rộng:là anten dùng để làm việc ở một tần số sóng

mang nhưng bảo đảm bức xạ không méo nhưng tín hiệu có dải tần số rất rộng

b Anten băng sóng: là anten làm việc ở một vài tần số sóng

mang

8 Hệ số khuếch đại ε của anten

Hệ số khuếch đại ε là tích số của hệ số tính phương hướng D với hiệu suất η:

ε =D.η (2.11)

ε: biểu thị mật độ công suất bức xạ ở một điểm quan sát náo đó lớn hơn bao nhiêu lần so với trường hợp công suất vào Pv của anten được phân bố đều trong không gian

9 Độ dài hiệu dụng.

Độ dài hiệu dụng là chiều dài của một cạnh hình chữ nhật, có diện tích bằng tích của biên độ dòng điện tại điểm cấp điện và độ dài ấy Từ đây ta có thể nói: độ dài hiệu dụng của anten là độ dài của một anten dây giả định có dòng điện phân bố đồng đều với biên độ bằng biên độ dòng điện tại điểm cấp điện của anten khảo sát Độ dài hiệu dụng của anten có giá trị khác độ dài hình học, và phụ thuộc vào bước sóng Đối với dây dẫn có độ dài l=

so với bước sóng thì độ dài hiệu dụng tiến đến độ dài hình học của anten.

Anten có kết cấu hình học khác nhau nhưng nếu có cùng chiều cao hiệu dụng như nhau thì mức độ thu như nhau

B Giới thiệu thông tin vệ tinh.

I Giới thiệu chung.

Chúng ta đang sống trong thời kỳ quá độ tới một xã hội định hướng thông tin tiên tiến nhờ có các công nghệ mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau Các loại thông tin truyền trên sóng vô tuyến, đó là viễn thông vô tuyến, đã đi vào đời sống hằng ngày của chúng ta và chúng ta có thể cảm nhận cuộc sống hiện tại của thế giới xung quanh chúng ta nhờ các phương tiện truyền hình và điện thoại quốc tế

Về đại thể các thông tin có thể được phân ra các loại như thông tin dùng cáp đồng trục hoặc cáp sợi quang và thông tin vô tuyến sử dụng sóng vô tuyến điện nối liền nhiều nơi trên thế giới vượt qua thời gian và không gian

Hiện nay, các hệ thống cáp biển dung lượng lớn sử dụng các cáp sợ quang đã được đưa vào sử dụng cho thông tin quốc tế Đối với thông tin vô tuyến quốc tế, thông tin vệ tinh đã cung cấp các đường thông tin dung lượng lớn thay thế cho thông tin sóng ngắn trước đây được sử dụng thường xuyên hơn

Để đạt được thông tin vệ tinh hiệu quả hơn, cần phải hiểu rõ hệ thống truyền dẫn, các công nghệ và cấu hình hệ thống trạm mặt đất

1 Nguyên lý thông tin vệ tinh.

Một vệ tinh, có khả năng thu, phát sóng vô tuyến điện sau khi được phóng vào vũ trụ dùng cho thông tin vệ tinh; khi đó vệ tinh sẽ khuếch đại sóng vô tuyến điện nhận được từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vô tuyến đến các trạm mặt đất khác Loại vệ tinh nhân tạo sử

dụng cho thông tin vệ tinh như thế được gọi là vệ tinh thông tin.

Do vệ tinh chuyển động khác nhau khi quan sát từ mặt đất, phụ

thuộc vào quỹ đạo bay của vệ tinh, vệ tinh có thể được phân ra vệ tinh

quỹ đạo thấp và vệ tinh địa tĩnh.

Vệ tinh quỹ đạo thấp là vệ tĩnh mà nhìn từ mặt đất nó chuyển động liên tục, thời gian cần thiết cho vệ tinh để chuyển động xung quanh quỹ đạo của nó khác với chu kỳ quay của quả đất xung quanh

trục của nó.Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000 km so với đường xích đạo Vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng mất 24 giờ Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của quả đất xung quanh trục của nó theo hướng đông cùng với hướng quay của quả đất, bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất Do vậy nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh Bởi vì một vệ tinh địa tĩnh có thể bảo đảm thông ổn định liên tục nên có nhiều

ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin

Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở các vị trí cách điều nhau bên trên xích đạo thì có thể thiết lập thông tin hầu hết các vùng trên quả đất bằng cách chuyển tiếp qua một hoặc hai vệ tinh

Cấu hình cơ bản nhất của một hệ thống thông tin từ trạm mặt đất qua vệ tinh đến trạm mặt đất khác được trình bày như hình (2.5):

Hình 2-5 Cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin.

Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là

đường lên và đường hướng từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống Hầu hết, các tần số trong khoảng 6 GHz và/hoặc 14GHz

được dùng cho đường lên và các tần số ở khoảng 4GHz hoặc 11GHz được sử dụng cho đường xuống

Quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo có ba thông số quan trọng: khoảng cách từ quỹ đạo vệ tinh đến mặt đất, hình dạng và góc nghiêng

so với mặt bình độ Một thông số chung là mặt phẳng chuyển động của vệ tinh phải đi qua tâm quả đất Thời gian vệ tinh đi hết một đường quỹ đạo tỉ lệ thuận với căn bậc ba của phân nửa trục quỹ đạo Có ba dạng quỹ đạo cơ bản được dùng cho vệ tinh: quỹ đạo êllip, quỹ đạo đồng bộ con, quỹ đạo địa tĩnh

Đối với quỹ đạo êlip và quỹ đạo đồng bộ con, thời gian đi của vệ tinh hết một quỹ đạo khác với thời gian quay quanh trục của vệ tinh, nghĩa là vệ tinh chuyển động nhanh hơn khi càng gần mặt đất Các vệ tinh viễn thông đầu tiên được đặt trên các quỹ đạo thấp, từ 200 đến 500km Chúng quay vòng quanh trái đất trong khoảng hai tiếng đồng hồ Các vệ tinh chụp ảnh, hay quan sát mặt đất, cũng như các tàu con thoi và phòng thí nghiệm vũ trụ, luôn luôn được đặt trên quỹ đạo thấp Các loại vệ tinh này được gọi là vệ tinh tịnh tiến Nó đòi hỏi anten thu

luôn luôn phải di chuyển theo chúng, trong thời gian nó xuất hiện Thời gian này bằng khoảng một nửa thời gian tồn tại của nó.

Nhờ vào sự phát triển của tên lửa phóng và các vệ tinh nên có thể đạt đến quỹ đạo mà thời gian di chuyển của vệ tinh chung quanh trái đất trong

24 giờ, quỹ đạo này gọi là quỹ đạo địa tĩnh và vệ tinh nằm trên nó gọi là vệ tinh địa tĩnh

Các định luật cơ học trong không gian, hay định luật Kepler đặt ra ba

điều kiện:

* Quỹ đạo phải nằm ở mức xích đạo để vệ tinh di

chuyển không lệch hướng.

* Quỹ đạo phải tròn để tốc độ vệ tinh không thay đổi.

* Bán kính quỹ đạo phải đạt 42.200km hay 35.800km cách mặt đất, do bán kính trái đất là 6.366km Với điều kiện như vậy thì chu kỳ quay vòng của vệ tinh có thời gian bằng với trái đất tức là 23 giờ 56 phút Lực hút của trái đất với lực li tâm của vệ tinh sẽ bằng nhau Bán kính của quỹ đạo, không lệ thuộc vào khối lượng của vệ tinh, mà lệ thuộc vào tốc độ góc của tốc độ góc của vòng quay.

Vệ tinh địa tĩnh chuyển động với quỹ đạo trùng với chiều quay của trái đất sẽ có tốc độ góc giống như tốc độ góc của trái đất Vận tốc của vệ tinh trong quỹ đạo địa tĩnh là 3075m/s Vì lý do này mà không có sự chuyển động tương đối giữa vệ tinh địa tĩnh và trái đất Quỹ đạo địa tĩnh ngày nay được sử dụng phổ biến cho việc thực hiện truyền hình từ vệ tinh

a.Tỉ số sóng mang trên nhiễu C/N (Carrier/Noise).

Đó là tỉ số giữa công suất của tín hiệu nhận được với công suất N của tiếng ồn:

C/N = E+G-A-10logT-10logB-logK (2.12)

Trong đó: E = PIRE (dBW): công suất đẳng hướng bức xạ tương

đương PIRE được tính theo công suất của máy phát sóng và độ lợi của anten: PIRE = 10log(PtG) (2.13)

Với mật độ công suất trên diện tích phía bên trong hình cầu là

2

P π (W/m2)

G: độ lợi anten (dB).

A: sự suy giảm chung (dB).

T nhiệt độ tiếng ồn của anten và đầu thu SHF( )οK

B: độ rộng dải tần F của máy thu (MHz)

với 10logK=+226.6 dB (hằng số

Boltzmann).

Tỉ số C/N = 6:quá ồn chất lượng xấu

8:mức giới hạn, một vài vệt nhiễu

10: thu tốt, màu sắc đẹp

12: thu rất tốt, chất lượng truyền hình bằng cáp

Để đảm bảo tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại điểm thu cần đảm bảo các thông số sau:

- Độ tăng tích của anten: khoảng 48.5dB (đối với anten thu 3m)

- Nhiệt độ nhiễu của anten: khoảng 23 Kο

- Mật độ công suất tại ngõ vào máy thu: khoảng –110dBw/m2

b Hệ số nhiễu nhiệt G/T của trạm thu.

Hệ số này biểu thị ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ lợi của vệ tinh Nhiệt độ càng tăng thì nhiễu càng lớn, thường tại giá trị nhiệt độ là 0 Kο thì không bị ảnh hưởng của nhiễu Giá trị này cho phép chọn anten thu thích hợp tùy theo C/N Chúng ta có:

c Góc ngẩng tối thiểu.

Vùng phủ sóng của một vệ tinh được giới hạn bởi góc ngẩng

Đó là góc bù hình thành từ đường thẳng nối liền nơi thu đến vệ tinh, với đường thẳng đứng tại nơi thu Về mặt lý thuyết vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng 1/3 trái đất Tuy nhiên, trong thực tế không thể thực hiện được, bởi vì góc ngẩng của anten bị hạn chế để loại trứ sự che khuất của địa hình Góc ngẩng này không thể nhỏ hơn 20ο, vì vậy vùng thu

tín hiệu trên mặt đất giới hạn giữa 60οkinh tuyến bắc-nam và 60οvĩ tuyến đông- bắc Các vùng rừng núi, thung lũng góc ngẩng tối thiểu phải là 30ο.

Các vệ tinh cùng công tác trong một dải tần số phải được đặt trong quỹ đạo địa tĩnh với góc chênh lệch nhau 2ο−3 và đảm bảo vị ο

trí vệ tinh sao cho anten phát luôn hướng đúng về vùng phủ sóng trên mặt đất.Điều này rất quan trọng vì anten phát trên vệ tinh có tính định hướng cao Nếu không đảm bảo tốt điều kiện này thì vùng phủ sóng của anten sẽ lệch sang một số nước lân cận

Góc ngẩng (E) và góc phương vị (Az) sẽ định vị anten thu để

thu bất kỳ một quả vệ tinh nào, các quả vệ tinh khác nhau thì hai thông số trên của anten phải được tính toán đúng vị trí của anten phát trên vệ tinh có kinh độ khác nhau trên từng vệ tinh

Anten thu sẽ có các giá trị góc ngẩng và góc phương vị tương ứng khác nhau, phù hợp với quả vệ tinh cần thu

Ta có thể dùng một gương anten thu cùng 3 quả vệ tinh đồng thời và có ưu điểm:

- Tiết kiệm được gương anten thu

- Nâng cao hiệu quả thu xem chương trình được nhiều kênh hơn

- Không chiếm nhiều diện tích mặt bằng đặt anten

Ở Việt Nam toàn bộ các trạm mặt đất hiện hữu đều thu phát ở

tần số băng C(phát 6GHz, thu 4GHz).

Thông số quan trọng về chất lượng tín hiệu thu được là tỉ số tìn hiệu trên nhiễu của kênh

hình Tỉ số này phải đạt từ 45dB trở lên trong suốt 99% thời gian thu cả năm.

Tín hiệu hình phát từ vệ tinh với công suất cố định Biên độ tín hiệu hình thu được là kết quả của quá trình truyền lan trong khí quyển Chất lượng hình ảnh thu được phụ thuộc rất nhiều điều kiện truyền sóng trong không gian vũ trụ và trong khí quyển của trái đất Mưa có thể làm tăng độ suy hao tín hiệu trên 7dB, có thể dẫn đến làm gián đoạn việc thu Thường khí quyển có sự biến động trong khi mưa và làm suy hao trong phạm vi 2dB Hiện tượng này thường liên quan đến việc phá vỡ định hướng truyền sóng Nhiều thực nghiệm và đo đạc thống kê cho thấy rằng suy hao trên 2dB thường xảy ra khoảng 0.06% thời gian thu, trên 4.5dB chiếm 0.01% thời gian thu

Mức độ nhận thấy nhiễu trên hình ảnh thu phụ thuộc vào tỉ số

dải tần hình trên nhiễu C/N (Carrier/Noise) Cường độ điện trường

vùng phủ sóng cần đảm bảo 63-65dBw để cho chất lượng hình ảnh thu tốt trong suốt 90% thời gian vệ tinh hoạt động trong các điều kiện có mưa

d Các dải tần số dùng cho truyền thông bằng vệ tinh.

Dải tần 2.5÷4.2 GHz được sử dụng nhiệu cho thông tin mặt đất, đặc biệt là các tuyến viba Việc sử dụng dải tần này đặc biệt quan trọng đối với các nước vùng nhiệt đới, vì độ suy giảm do mưa

Dải tần 12 GHz hiện nay đang được sử dụng cho các tuyến viba trên mặt đất còn ít, do đó ít bị nhiễu nếu sử dụng dải tần này cho truyền hình vệ tinh

Với dải tần 12 GHz cho phép đạt chùm sóng rất hẹp từ anten phát và anten thu có kích thước nhỏ

2 Ưu và khuyết điểm của quỹ đạo địa tĩnh.

Đối với quỹ đạo địa tĩnh, khi độ nghiêng và độ lệch tâm của quỹ đạo bằng không, nghĩa là quỹ đạo tròn, thì vệ tinh cố định đối với một điểm xác định trước trên mặt đất Trong thực tế, độ nghiêng và độ lệch tâm hiếm khi bằng không Vì vậy, vệ tinh mỗi ngày lệch một ít so với trái đất.

Quỹ đạo địa tĩnh có nhiều ưu điểm, do đó quỹ đạo này được sử dụng rộng rãi trong truyền thông Một vệ tinh mà xuất hiện cố định so với tất cả các trạm mặt đất trong tầng đối lưu, sẽ giảm đến mức tối thiểu các yêu cầu, chọn lựa cho thiết bị đầu cuối, và các thông số truyền dẫn như tổn hao đường truyền là bất biến Hơn nữa, vùng thu tín hiệu vệ tinh địa tĩnh tốt là phù hợp với vùng đông dân Một ưu điểm

khác là độ dịch Doppler rất nhỏ và có thể dự đoán nhiễu từ những hệ

thống radio khác nhờ hình dạng hình học cố định của nó

Tuy nhiên, có một vài khuyết điểm vốn có của loại vệ tinh này Thời gian trễ do truyền lan lớn, khoảng 25ms, vì tầm truyền đạt của vệ tinh lớn Thời gian trễ này là thích hợp cho một cuộc nói chuyện điện thoại đôi thì quá khó khăn Hơn nữa, khi mặt trời xuất hiện trong khoảng cách sóng của anten trạm mặt đất, thì mặt trời trở thành một nguồn nhiễu mạnh Mặt khác, sự bất lợi của quỹ đạo này là không có khả năng bao phủ cho toàn bộ mặt đất

Một hạn chế của quỹ đạo địa tĩnh được đề cập đến gần đây có

liên quan đến những ứng dụng của nó trong thông tin mobile Ở những

vùng mà góc ngẩng của vệ tinh nhỏ thì tổn hao truyền lan lớn do các vật cản như: nhà, cây cối, , làm giới hạn khả năng và độ tin cậy của tuyến liên lạc

Mặc dù vậy, những ưu điểm của quỹ đạo địa tĩnh vẫn hơn hẳn những khuyết điểm của nó trong hầu hết các ứng dụng và vì quỹ đạo địa tĩnh được sử dụng trong hầu hết các hệ thống truyền thông vệ tinh

Do yêu cầu đề tài là thiết kế anten Cassegrain, mà anten này được sử dụng rộng rãi cho các trạm mặt đất và mạng thông tin vệ tinh địa tĩnh Em xin trình bày một mạng thông tin vệ tinh địa tĩnh đó là

mạng VSAT Chúng ta cũng nên đề cập đến một số yêu cầu về việc thiết kế mạng VSAT.

Giới thiệu chung về mạng VSAT.

Trong thiết kế mạng VSAT quan trọng nhất là việc tính toán,

lựa chọn cấu hình và kích cỡ các trạm sao cho giá thành thiết bị, chi phí thuê kênh vệ tinh là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được chất lượng tín hiệu yêu cầu Ngoài ra, như một đặc điểm lớn của thông tin vệ tinh, môi

trường truyền sóng có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tín hiệu, và bản thân nó lại thường thay đổi Vì vậy, khi chọn lựa tham số các trạm

VSAT cần tính đến hệ số dự phòng để duy trì mức tín hiệu luôn luôn

trong giới hạn cho phép với một dải thay đổi rộng các điều kiện khí hậu, đặc biệt là khi có mưa lớn

Mục đích chính của việc thiết kế mạng mặt đất thông tin vệ tinh là tính toán, lựa chọn trạm VSAT có kích cỡ tối thiểu, yêu cầu tài nguyên

băng thông, công suất nhỏ nhất nhưng vẫn đáp ứng chất lượng tín hiệu truyền đòi hỏi Cấu hình trạm mặt đất cần chọn chủ yếu là các tham số:

- Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp

- Kênh thông tin.

Trạm mặt đất:

+ Vị trí địa lý của trạm: cho biết các thông số như suy hao do mưa, góc nhìn vệ tinh, mức công suất phát xạ đẳng hướng tương đương

(EIRP), hệ số phẩm chất(G/T) của anten vệ tinh theo hướng trạm và

suy hao đường truyền giữa trạm mặt đất – vệ tinh

+ Công suất phát xạ, hệ số khuếch đại và hệ số phẩm chất G/T của

anten trạm

+ Nhiệt độ tạp âm hệ thống: liên quan tới độ nhạy và tỷ số G/T.

+ Aûnh hưởng của tạp âm điều chế bên trong tới tỷ số tín hiệu/tạp âm.+ Các đặc điểm của thiết bị (suy hao cáp tín hiệu, phân cách phân cực anten, đặc tính bộ lọc, ) để biết hệ số dự trữ kết nối

Vệ tinh:

+ Vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo: cho biết vùng phủ sóng và góc nhìn trạm mặt đất, khoảng cách trạm mặt đất – vệ tinh.

+ Mức EIRP, hệ số phẩm chất G/T của vệ tinh ở vị trí trạm mặt đất.

+ Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực

+ Mật độ dòng công suất bảo hòa.

Các thông số vệ tinh.

- Mức công suất phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP và hệ số phẩm chất G/T của anten vệ tinh theo hướng trạm mặt đất Giá trị EIRP và G/T có thể biết qua bản đồ các đường mức EIRP, G/T của nhà quản lý vận hành vệ tinh

- Mật độ dòng công suất bảo hòa (SFD) và băng thông của máy phát đáp

- Dải tần làm việc, dạng phân cực

- Mức lùi công suất đầu vào (IBO), đầu ra (OBO).

Kênh thông tin:

+ Dải tần số làm việc: cho biết suy hao đường truyền, mức dự trữ kết nối.

+ Tốc độ luồn thông tin

+ Đặc điểm mã hóa, điều chế

+ Kiểu truy nhập vệ tinh của mạng

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC MỘT SỐ LOẠi ANTEN

-oOo -I Anten siêu cao tần:

Anten siêu cao tần là loại anten dùng cho dải sóng có bước sóng nhỏ (khoảng 10 m ) Nó được dùng trong thiết bị vô tuyến điện siêu cao tần như :vô tuyến truyền hình, rađa, điều khiển bằng vô tuyến Tùy theo yêu cầu cụ thể thì các anten siêu cao tần có tính phương hướng rộng hay hẹp, nhất định có kết cấu nhất định

1 Anten chấn tử ở siêu cao tần:

Chấn tử thường dùng là chấn tử nửa sóng Vì điện kháng vào của nó bằng không, kích thước nhỏ, tính phương hướng thường đạt yêu cầu Điện trở vào thường là 73,1 ohm

Chấn tử siêu cao tần có yêu cầu quan trọng là phải phối hợp với fide

Hình a: là chấn tử đối xứng tiếp điện bằng dây song hành Kết cấu này

bảo đảm tính đối xứng của chấn tử, trở kháng sóng của dây song hành khoảng vài trăm ohm Do đó phải có thiết bị hợp trở kháng

Hình b: là chấn tử tiếp điện sun Đoạn giống như điện cảm mắc ở đầu

vào Chọn l và L điều chỉnh được trở kháng vào của anten mà không cần thêm thiết bị phối hợp

Hình c:là chấn tử chiết hợp có trở kháng vào lớn phối hợp tốt với fide

song hành Do đó độ dài λ/2, dòng điện trên hai nhánh trên và dưới cùng chiều (đồng pha) khoảng cách của hai nhánh nhỏ hơn so với bước sóng Do đó bức xạ của anten chiết hợp có thể coi như bức xạ của hai chấn tử nữa sóng đồng pha, hay hai chấn tử có dòng điện là 2I

Công suất bức xạ: P∑ = 2)2R = 2)2 ,31 (3.1)

2 Anten Tuanike :

Anten Tuanike đơn giản là một kết cấu gồm hai chấn tử đối xứng đặt vuông góc với nhau, được tiếp điện với các dòng điện có biên độ bằng nhau một góc π/2

Bức xạ của các tầng trong mặt phẳng ngang là đồng pha và vô hướng với trường cực hóa ngang sẽ dạng cực hóa ngang là cực hóa thích hợp để tránh nhiễu công nghiệp ở dải sóng cực ngắn

Anten Tuanike được sử dụng làm anten phát sóng vô tuyến truyền hình hoặc anten phát thanh sóng cực ngắn thì phải có hướng tính cao trong mặt phẳng thẳng đứng

Để đạt được yêu cầu này, anten được cấu tạo từ nhiều anten Tuanike đơn giản, xếp đặt thành nhiều tầng Khoảng cách giửa hai tần thường được chọn là λ/2 , với các tần được tiếp điện đồng pha

Khi sử dụng làm anten vô tuyến truyền hình cần có các yêu cầu sau :

- Bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang

- Bức xạ cực tiểu trong mặt phẳng đứng Tập trung công suất trong mặt phẳng ngang

- Điện trường phân cực ngang

Để thực hiện việc tiếp điện lệch pha 90 giữa hai chấn tử trong cùng ο

một tầng và tiếp điện đồng pha giữa các tầng

Hai đường fide nói với hai nhóm chấn tử của hai mặt phẳng đứng sẽ được điều chỉnh ở chế độ sóng chạy và được nối song song với nhau, đồng thời độ dài của hai đuờng fide cần khác nhau một phần tư bước sóng độ tạo lệch pha 90 giữa hai chấn tử vuông góc ở các tầng ο

Để kết hợp yêu cầu về dải tần số và các yêu cầu khác nhằm đảm bảo có một kết cấu vững chắc, ít chắn gió, có khả năng chống sét tốt, các chấn tử được chế tạo dưới dạng tấm lưới phẳng hình chữ nhật hoặc cánh bướm

3 Anten dẫn điện :( Anten YAGI)

Sơ đồ anten như hình vẽ, nó gồm chấn tử chủ động thường là chấn tử nửa sóng, một chấn tử phản xạ thụ động,và một số chấn tử dẫn xạ thụ động D

Chấn tử chủ động A được nối với máy phát cao tần Dưới tác dụng của trường bức xạ tạo bởi A, trong Pv và D xuất hiện dòng cảm ứng và các chấn tử này sẽ bức xạ thứ cấp Nếu chọn được độ dài của điểm P và

khoảng cách từ A đến P một cách thích hợp thì P sẽ trở thành chấn tử phản xạ của A.Khi ấy năng lượng bức xạ của cặp A, P sẽ giảm dần về phía chấn tử phản xạ và tăng cường theo hướng ngược lại Tương tự nếu chọn được độ dài D và khoảng cách từ D đến điểm A một cách thích hợp thì D sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ của A năng lượng hệ bức xạ của hệ A – D tăng cường về phía chấn tử dẫn xạ D Kết quả năng lượng bức xạ của hệ sẽ tập trung về một phía hình thành nên một kênh dẫn sóng dọc theo trục anten hướng từ phía chấn tử phản xạ về – phía chấn tử dẫn xa Mỗi anten Yagi thường chỉ có một chấn tử làm nhiệm vụ phản xạ

Số chấn tử dẫn xạ từ 2 đến 10 có khi tới vài chục cách nhau (0,15 –0,25 )λ Thanh phản xạ chỉ có một, khoảng cách thanh phản xạ với chấn tử chính (0,1 – 0,35 ) λ Hệ số khuếch đại của anten càng lớn nếu số chấn tử dẫn xạ càng lớn Anten dẫn xạ đạt được hệ số khuếch đại như sau:

Số chấn tử dẫn xạ Hệ số khuếch đại

201364

1215138

Trong thực tế, thường chấn tử chủ động là chấn tử vòng dẹt vì hai lý

II Anten sóng ngắn :

Anten sóng ngắn là anten dùng trong dải sóng

10 – 100 m Những anten sóng ngắn thường dùng

trong quân sự, hàng không, thông tin cự ly xa và phát thanh.

a Những yêu cầu của anten sóng ngắn :

Anten sóng ngắn do đặc điểm truyền sóng nên có những yêu cầu cơ bản sau đây :

1 Sóng ngắn suy giảm nhanh trên mặt đất thường suy giảm hết khi đi khỏi đài phát Do đó phải truyền lan bằng sóng nơi anten sóng ngắn phải có một góc nghiêng nhất định tùy thuộc cự ly thông tin

2 Anten sóng ngắn phải là anten có dải tần số tương đối rộng do các thông số của tầng điện ly thay đổi

3.Tầng điện ly không đồng đều, mặt khác khi truyền lan qua tầng điện ly tia sóng lệch đi trong mặt phẳng ngang, do đó tính phương hướng của anten trong mặt phẳng ngang và đứng không thể quá hẹp phải là 20 – 30 0 và trong mặt phẳng đứng với mặt phẳng ngang là 10 –

5 Để tránh hồi âm và tạp âm Tính phương hướng anten phải có múi phụ bè và đơn hướng Sóng ngắn gồm những loại anten đơn giản như: chấn tử đối xứng nằm ngang, dải tần, anten góc; anten phức tạp như: hệ thống chấn tử đồng pha, anten sóng chạy, anten trám

b Chấn tử ở sóng ngắn:

- Chấn tử đơn giản :

Chấn tử đơn giản sóng ngắn là một chấn tử đối xứng nằm ngang trên mặt đất Chấn tử làm bằng dây đồng hay lưỡng kim đường kính 2 – 4 mm (hình 3.4) Độ dài của anten là:

0.25≤ ≤0.64

λ

l

(3.2)Anten căng trên một độ cao độ H = (0,1 – 1) λ (3.3)

Anten bức xạ lên hai múi đối xứng trong mặt phẳng xích đạo với góc ∆

tùy thuộc vào độ cao H

Anten thường được tiếp điện bằng dây song hành đối xứng, trở kháng sóng fide theo hai tiêu chuẩn 300 và 600 Ω

- Chấn tử dải rộng :

Để mở rộng dải tần số theo yêu cầu thông tin sóng ngắn, người ta giảm trở kháng sóng anten (Ws) Chấn tử dải sóng thường làm có dạng giống như hình (3.5) gọi là chấn tử Hagehemko Chấn tử này gồm một số dây n cán thành dạng lồng sóng của chấn tử Tính theo công thức :

W =120( ∋ −1)

ρ

l In

ρρ

Ví dụ: Trên vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái Đất do Liên Xô phóng lên

có hai anten góc với α =70ο,l1 =2.9mvà l2 =2.4m thông tin ở bước sóngλ1=15m, λ2 =7.5m.

2 Anten trám.

Là một anten sóng ngắn thuộc loại sóng chạy Nó gồm bốn đoạn dây dài xếp thành hình tròn, đầu kia trám nối với phide song hành Kết cấu thực tế của anten trám được vẽ như hình (3.7)

Bức xạ của anten là tổng trở của bốn cạnh hình trám Anten trám thường căng ngang trên mặt đất ở độ cao H

+ Cường độ trường của anten trong mặt phẳng ngang:

2sin[

)]

,sin(

1(2sin[

.),sin(

1

cos240

θϕθ

ϕθ

ϕ

ϕο

−

Kl Kl

θ :là góc hướng quan sát với đường chéo lớn

ϕ là 1/2 góc tù của anten

+ Cao độ trường của anten trong mặt phẳng đứng

)]sinKHsin(

)

sincos

12

Kl[sinsin

cos1

cosI

∆ : góc của hướng quan sát với phương nằm ngang

3 Anten sóng chạy.

Là một loại anten dùng để thu sóng điện từ

Anten chạy sóng gồm một dây song hành trở kháng W và đầu cuối có

phối hợp Rt Hai bên đầu dây có những chấn tử đối xứng với đường dây

qua những tụ ghép C Tất cả căng ngang trên mặt đất với một độ cao h

Độ dài của nhánh chấn tử nhỏ hơn λ /4 và cách chấn tử đặt cách nhau

khoảng λ /10 bước sóng Đầu của anten nối với máy thu có trở kháng

phối hợp

Anten có tính phương hướng khá cao Song hiệu suất rất thấp nên hệ số

khuếch đại của anten chỉ gần bằng 1, múi phụ của anten cũng nhỏ Vì

vậy anten chỉ dùng làm anten thu

β : góc truyền lan của sóng trên anten.Để giảm ảnh hưởng của các

chấn tử lên dây song hành người ta ghép các chấn tử vào dây qua một

tụ C có trở kháng lớn khoảng (4_10)pF

4 Anten sóng trung dài.

a Những yêu cầu cơ bản của sóng trung dài :

Sóng trung dài là những sóng có bước sóng

lớn hơn 100 m hàng chia thành những khoảng sau

đây :

Từ 100 m - 550 m dùng cho phát thanh

Từ 550m - 750 m dùng cho các đài lưu động nhất là trong hàng hải

Từ 750m - 1.050 m dùng cho hàng không

Ta biết rằng sóng trung dài truyền lan bằng sóng đất là chính Phạm

vi thông tin quanh anten phát chia làm 3 miền, miền gần (khoảng 60

km ) thông tin bằng sóng đất, miền xa thông tin bằng sóng trời, miền

trung gian có cả sóng trời và sóng đất là miền suy lạc lớn

Trong dải sóng này, người ta thường dùng anten dây hình T,Γ ; anten cột và riêng để thu dùng anten vòng

Anten sóng trung dài phải dùng điện trường phân cực đứng

Anten cột là một chấn tử không đối xứng trên mặt đất

Hệ thống dây đất anten gồm 60 – 120 dây dài 0,3 λ chạy từ chân anten tỏa ra hình dải quạt Hiệu suất anten khoảng (80 – 90 )%

Miền thu có thể chia làm ba miền: miền gần đài phát trong một bán kính r thu bằng sóng đất, miền xa thu bằng sóng trời, miền trung gian là miền suy lạc có sóng trời và sóng đất giao thoa với nhau

d Anten vòng, anten từ :

Dạng đơn giản của anten vòng là một khung dây hình chữ nhật có d x

h rất nhỏ so với bước sóng λ Anten tương đương với vòng điện hay một lưỡng cực từ thẳng góc với mặt anten Hiệu suất của anten rất thấp do đó chỉ dùng làm anten thu

Anten từ là loại anten thu thông dụng gồm một thanh pherit trên cuộn từ một số vòng dây đặt ngay trong máy thu

Ưu điểm của anten là kích thước nhỏ, khả năng chống tạp âm tương đối tốt nhờ tính định hướng và nguyên lý làm việc của anten

Anten pherit có nhiều dạng phổ biến nhất là loại anten có một thanh pherit dài l = 100 – 200 m đường kính d = 5 – 10 mm trên 3 cuộn dây L1, L2 , L3 như hình (3.12)

Cuộn L1 và L3 thường đặt cách đầu thanh khoảng 0,2 l

Ở băng sóng dài cả ba cuộn mắc nối tiếp làm thành cuộn cảm mạch vào Ở băng sóng trung cuộn L1 bị nối tắt, khi ấy chiều cao hiệu dụng của anten có giảm đi khoảng 25% Cuộn L3 dùng để điều chỉnh trị số điện cảm của mạch cộng hưởng vào

Anten bắt vào bộ máy bằng giá 3 và vít 4 Ngoài ra, để giảm hiệu ứng anten ta có thể dùng một ống hở hình trụ 5 để bọc anten

5 Anten xoắn.

Anten xoắn là loại anten mà phần tử bức xạ cơ bản của nó là các vòng dây dẫn có dòng điện sóng chạy Trường bức xạ của anten xoắn trong trường hợp tổng quát là trường phân cực quay Anten xoắn thường được ứng dụng trong dải sóng cực ngắn, gồm nhiều loại: xoắn trụ, xoắn phẳng, xoắn hình chóp Khi lắp anten xoắn, phải chú ý đến đường kính của dây và chất cách điện của lõi đỡ dây

a Anten xoắn trụ.

Anten gồm một đường dây xoắn dẫn điện và một màn chắn kim loại.Anten được tiếp điện bởi fide đồng trục, lỏi fide được nối với đường dây xoắn, vỏ fide nói với mặt kim loại Dạng sóng có tác dụng chủ yếu trong mỗi đường dây xoắn phụ thuộc vào kích thước tương đối của vòng xoắn so với bước sóng công tác Các thông số hình học đặc trưng

cho anten xoắn trụ là bán kính a, bước sóng s (hoặc độ dài l của mỗi οvòng xoắn và góc xoắn α), và số vòng N

Hệ số khuếch đại của anten xoắn trụ:

dB

G

2 x

N: số vòng

S: bước quấn

λ: bước sóng

L: chiều dài vòng xoắn

Đồ thị phương hướng của anten được vẽ ở hình (3.14)

Ưu điểm : kết cấu đơn giản, dải tần rộng Hệ số bao trùm dãy sóng

λmax/λmin=1,7

Nhược điểm: hướng tính không cao.

b Anten xoắn phẳng :

Anten xoắn phẳng lôgarit và xoắn phẳng

acsimet đều là các anten bức xạ trường phân cực quay.

Để tiếp điện cho anten xoắn phẳng lôgarit cũng như xoắn acsimetcó thể dùng file song hành vì kết cấu của các anten này là kết cấu đối xứng Trong thực tế, việc tiếp điện cho anten có thể thực hiện bằng fide đồng trục Khi ấy vỏ ngoài của fide được gắn vào một nhánh của anten xoắn, còn lõi của fide đồng trục được tiếp cho nhánh thứ hai.Các nhánh của anten có thể được cấu tạo từ các lá kim loại mỏng dán lên các tấm điện môi Bước sóng cực đại của dải tần số có quan hệ với độ dài nhánh anten và được xác định từ hệ thức :

L= (1 – 1,5 )λmax (3.9)

l: độ dài của một nhánh anten

Bước sóng cực tiểu của dải tần số có quan hệ với bán kính ban đầu của đường xoắn và xác định

8

min , λ

ρο ≤ (3.10)

c Anten xoắn chóp :

Có hai loại xoắn chóp thường và xoắn chóp lôgarit

- Anten xoắn chóp thường: Hệ số bao trùm dải sóng của anten loại này có thể đạt tới

1

20 Thông thường giới hạn này của dải tần công tác đối với anten xoắn chóp sẽ ứng với tần số mà bước sóng λmin của nó bằng độ dài của vòng xoắn nhỏ nhất, còn giới hạn dưới sẽ ứng với tần số mà bước sóng λmax của nó bằng độ dài của vòng xoắn lớn nhất

- Anten xoắn chóp lôgarit: có đồ thị bức xạ đơn hướng (hình 3.15), hướng bức xạ của anten xoắn chóp là hướng trục, cực đại về phía đỉnh chóp Trong thực tế, anten được kế cấu từ các băng kim loại gắn lên mặt nón điện môi, việc tiếp điện cho anten có thể được thực hiện bằng cáp đồng trục gắn dọc theo băng kim loại

Trở kháng vào của anten xoắn chóp lôgarit thực tế không biến đổi trong dải tần công tác Trị

thực tế, anten xoắn thường và xoắn lôgarit cũng có thể được thiết lập trên các mặt có hình dạng khác.

8 Anten mạch in (anten mạch dải )

Anten mạch in( hay anten mạch dải) còn thường được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ, về thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe

Về cấu tạo, mỗi phần tử anten mạch dải gồm các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn

kim loại và bộ phận tiếp điện( hình 3.17 )

Phiến kim loại được gắn lên đế điện môi, tạo nên một kết cấu tương tự một mảng của mạch in, do vậy anten có tên gọi là anten mạch in.Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W,bề dày t và hằng số điện môi ε của lớp đế điện môi Phần tử anten mạch dải có thể tiếp điện bằng đường truyền mạch dải hoặc dùng cáp đồng trục có đầu thăm nối với phiến kim loại, còn vỏ cáp nối với màn chắn.

Trong mặt phẳng E ( mặt phẳng vuông góc với trục của khe), trường bức xạ của hai khe được xác định :

)coscos( ϕλ

πο

L K

E = (3.11)

K: đại lượng phụ thuộc vào biên độ trường được kích thích trong khe,

λo là bước sóng trong không gian tự do Công thức này đúng cho các góc ϕ nằm trong giới hạn 0 < ϕ <180, nghĩa là đúng cho nửa không gian phía trên của màn chắn

Đồ thị phương hướng của anten mạch in được vẽ ở hình (3.18)

Anten mạch dải được sử dụng chủ yếu ở dải siêu cao tần, có nhiều ưu điểm về mặt kết cấu ( nhỏ, nhẹ, mỏng, chắc chắn) và có thể áp dụng công nghệ mạch in để sản xuất nên giá thành thấp

Phần tử bức xạ của anten mạch dải nằm ở phía trên của tấm kim loại ( màn chắn dẫn điện ) nên có thể dể dàng kết hợp các phần tử anten với các mạch tích cực( mạch khuếch đại, đổi tần…) hoặc các mạch xử lý tín hiệu nằm ở phía sau màn chắn để tạo ra anten tích cực hoặc anten có xử lý tín hiệu

9 Anten loa.

Có dạng như hình (3.19):