Tính toán thiết kế và thi công hệ thống anten phi đơ thu vô tuyến truyền hình theo phương pháp tối ưu hóa hướng tính

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ANTEN PHI ĐƠ THU VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HĨA HƯỚNG TÍNH SVTH : Nguyễn Văn Quang Nguyễn Thành Cơng GVHD: Nguyễn Đức Chánh TP.HỒ CHÍ MINH, 2011 Mục lục MỤC LỤC Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh mục hình v Danh mục bảng vii Lời giới thiệu .viii Chương 1: CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG ANTEN THU VƠ TUYẾN TRUYỀN HÌNH 1.1 Các tiêu kỹ thuật anten 1.1.1 Đặc trưng hướng anten 1.1.2 Đặc trưng phân cực anten 1.1.3 Công suất phát xạ hệ số tác dụng định hướng .6 1.1.4 Hiệu suất hệ số khuếch đại 1.2 Yêu cầu truyền sóng cực ngắn 1.2.1 Những yêu cầu .9 1.2.2 Các dạng kết cấu anten sóng cực ngắn 10 1.3 Lý thuyết awnten thu 11 1.3.1 Chấn tử đối xứng làm việc chế độ thu 11 1.3.2 Công suất tải anten thu 14 1.3.3 Đặc điểm làm việc anten chế độ thu .15 Chương 2: PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG ANTEN PHI ĐƠ THU VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN PHÙ HỢP 17 2.1 Giới thiệu anten phát vơ tuyến truyền hình .17 2.1.1 Yêu cầu anten phát vơ tuyến truyền hình .17 2.1.2 Cấu tạo .17 2.2 Các anten thu sóng phân cực ngang 20 ii Mục lục 2.2.1 Anten dẫn đường (anten kênh sóng) 20 2.2.1.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc anten 20 2.2.1.2 Đặc trưng hướng .27 2.2.1.3 Một số dạng kết cấu anten thường gặp 31 2.2.2 Anten logarit 33 2.2.2.1 Đặt vấn đề .33 2.2.2.2 Phương trình cấu trúc .33 2.2.2.3 Anten loga khơng tuần hồn 34 2.2.2.4 Anten loga tuần hoàn(anten loga chu kỳ) .35 2.2.3 Anten Ziczắc 39 2.2.3.1 Cấu tạo 39 2.2.3.2 Nguyên lý làm việc 40 2.2.4 Chọn phương án thiết kế 43 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ ANTEN KÊNH SĨNG 44 3.1 Khái niệm chung 44 3.2 Xác định dòng chấn tử 46 3.2.1 Tính tốn anten chưa có phản xạ 47 3.2.2 Tính tốn anten có phản xạ 49 3.3 Tính tốn điện trở anten 51 3.3.1 Tính tốn trở riêng chấn tử 51 3.3.2 Tính tốn trở liên kết 52 3.3.3 Tính tốn trở vào anten 52 3.4 Tính toán đặc trưng hướng anten 53 3.4.1 Thừa số xác định đặc trưng hướng chấn tử 53 3.4.2 Thừa số hệ 54 3.4.3 Thừa số ảnh hưởng đất 54 3.4.4 Hệ số tác dụng định hướng 55 3.5 Tính tốn cấp nguồn cho chấn tử phát xạ 55 iii Mục lục 3.6 Thứ tự tính toán anten 57 Chương 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ANTEN KÊNH SĨNG .59 4.1 Tính tốn, thiết kế anten kênh sóng thu đài truyền hình Bình Dương 61 4.1.1 Tính tốn giá trị tối ưu .61 4.1.2 Tính tốn đặc trưng hướng anten .65 4.1.2.1 Tính tốn đặc trưng hướng mặt phẳng ngang(E) 65 4.1.2.2 Tính tốn đặc trưng hướng mặt phẳng đứng(H) 67 4.1.3 Tính tốn trở kháng vào anten 70 4.1.4 Tính tốn độ dài phản xạ dẫn xạ 70 4.1.5 Tính tốn chiều dài chấn tử phát xạ 71 4.1.6 Tính tốn hệ số tác dụng định hướng .71 4.1.7 Tính tốn cấp nguồn cho chấn tử phát xạ 72 4.2 Tính tốn thiết kế anten kênh sóng thu đài truyền hình Đồng Nai 73 4.2.1 Tính toán giá trị tối ưu .73 4.2.2 Tính tốn đặc trưng hướng anten .78 4.2.2.1 Tính toán đặc trưng hướng mặt phẳng ngang(E) 78 4.2.2.2 Tính tốn đặc trưng hướng mặt phẳng đứng(H) 80 4.2.3 Tính tốn trở kháng vào anten 82 4.2.4 Tính tốn độ dài phản xạ dẫn xạ 82 4.2.5 Tính tốn chiều dài chấn tử phát xạ 83 4.2.6 Tính tốn hệ số tác dụng định hướng .83 4.2.7 Tính tốn cấp nguồn cho chấn tử phát xạ 84 4.3 Xác định kết cấu anten 85 4.4 Thi công anten .88 4.4.1 Thi công anten thu đài Bình Dương 88 4.4.2 Thi công anten thu đài Đồng Nai .91 Kết luận hướng phát triển đề tài 94 Tài liệu tham khảo .95 Phụ lục iv Đồ án tốt nghiệp Chương 1: CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG ANTEN THU VƠ TUYẾN TRUYỀN HÌNH Giới thiệu chương: Chương trình bày khái quát yêu cầu kỹ thuật hệ thống anten thu vơ tuyến truyền hình Các tiêu kỹ thuật bản, đặc trưng hướng, đặc trưng phân cực hệ số tác dụng định hướng , hiệu suất thu anten Qua chương hiểu sâu sóng cực ngắn việc truyền sóng cực ngắn, dạng kết cấu anten sóng cực ngắn Đồng thời tìm hiểu lý thuyết anten thu, nắm nguyên lý thu sóng anten tư làm sở cho việc tìm hiểu dạng anten thu phát chương 1.1 Các tiêu kỹ thuật anten 1.1.1 Đặc trưng hướng anten Từ lý thuyết trường ta biết biên độ phức cường độ trường nguồn phát xạ sóng điện từ điểm tùy ý vùng xa viết dạng sau ˙ E= IA i [ ( ϕ , φ ) −kr ] f (θ , φ) e r (1.1) Trong r, θ,φ tọa độ điểm quan sát M hệ tọa độ cầu (hình 1.1) Κ= 2π λ Số sóng f ( θ , φ ) e iϕ (θ , φ )= f˙ ( θ , φ ) Là hàm phức phụ thuộc vào cấu trúc anten Φ ( θ , φ ) : Pha trường IA: Biên độ dòng điểm anten Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Cơng Hình 1.1 Đồ án tốt nghiệp  Định nghĩa: Hàm f ( θ , φ ) ( Tức modun hàm f˙ ( θ , φ )) xác định phụ thuộc biên độ cường độ trường anten điểm nằm vùng xa cách anten vào hướng quan sát gọi đặc trưng hướng anten Biểu diễn hình học đặc trưng hướng không gian mặt cong Trong thực tế thường gặp đặc trưng hướng dạng hình xuyến (hình 1.2a), dạng hình kim (hình 1.2b), dạng hình quạt(hình 1.2c) a) b) c) Hình 1.2 Trường anten phát sóng phân cực elip biểu diễn dạng tổng trường anten phân cực tuyến tính vecto điên Eθ ⃗θ Eφ ⃗φ anten vuông góc với lệch pha góc σ Do với anten phân cực elip ta phải phân biệt đặc trưng hướng theo thành phần θ theo thành phần φ tức f θ ( θ , φ ) f φ ( θ , φ ) Để tiện việc so sánh tính định hướng anten khác người ta thường dùng đặc trưng hướng chuẩn hóa Đặc trưng hướng chuẩn hóa tỷ số giá trị đặc trưng hướng f ( θ , φ ) theo hướng với giá trị cực đại nó: F ( θ , φ )= f (θ , φ) f max (1.2)  Các phương pháp mô tả Đặc trưng hướng không gian ( biểu diễn không gian hàm f ( θ , φ )không tiện lợi cho việc mô tả đặc trưng hướng anten người ta thường dùng phương pháp Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công Đồ án tốt nghiệp mô tả đặc trưng hướng mặt phẳng vng góc với chứa hướng phát xạ cực đại : Mặt phẳng kinh tuyến( gọi mặt phẳng E) mặt phẳng chứa vecto E Mặt phẳng xích đạo ( gọi mặt phẳng H) mặt phẳng chứa vecto H Có thể biểu diễn đặc trưng hướng phẳng (hay giản đồ hướng) tọa độ cực hình 1.3 tọa dộ decac hình 1.4 Đặc trưng hướng vẽ tọa độ cực cho ta thấy tính định hướng anten cách trực quan Còn đặc trưng hướng tọa dộ decac biểu diễn xác Thơng thường đặc trưng hướng có số cực đại, gọi đặc trưng hướng có nhiều cánh sóng hình 1.3 hình 1.4 Cánh có hướng phát xạ cực đại lớn gọi cánh chính(cánh hình 1.3).Các cánh cịn lại cánh bên(cánh hình 1.3) cánh sau( cánh hình 1.3) FE(θ ¿ ( θ0,707 ) E ( θ0,5 ) P FP(θ ¿ Hình 1.3 Hình 1.4 Ngồi đặc trưng hướng tính theo cường độ trường F E ( θ , φ ) người ta dụng đặc trưng hướng tính theo cơng suất F P ( θ , φ )(đường chấm hình 1.4) F P ( θ , φ ) = F 2E ( θ , φ ) Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công (1.3) Đồ án tốt nghiệp Độ định hướng anten tính độ rộng cách sóng theo mức nửa cơng suất (2θ0,5 P) theo mức 0,707 theo trường ( θ0,707 E ) [xem hình 1.4] 1.1.2 Đăc trưng phân cực anten Trường anten vùng xa không đặc trưng biên độ pha mà phân cực Nghĩa đặc trưng biến đổi hướng vecto cường độ trường theo thời gian Mặt phẳng phân cực mặt phẳng chứa phương truyền vecto cường độ điện trường Sự phân cực trường xác định loại anten vị trí không gian Trường anten dây thẳng trường phân cực tuyến tính tức thời điểm, điểm khảo sát vecto cường độ điện trường định hướng dọc đường thẳng Chấn tử thẳng đứng xạ sóng phân cực đứng ( sóng có vecto điện nằm mặt phẳng đứng), chấn tử ngang xạ sóng phân cực ngang (sóng có vecto điện nằm mặt phẳng ngang) r0+ λ r0+ λ /2 r0 r0+ λ /2 r0+ λ Hình 1.5 Trường hợp tổng quát trường có phân cực elip Trường phân cực elip tổng trường phân cực tuyến tính có vecto điện Eθ Eφ vng góc với lệch pha góc δ Có nghĩa đầu mút vecto tổng vẽ nên không gian hình elip sau chu kỳ dao động Khi sóng truyền khơng gian tự elip nằm mặt phẳng vng góc với phương truyền ( hình 1.6) Dưới ta chứng minh điều Giả sử cho trước giá trị tức thời cường độ điện trường Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công Đồ án tốt nghiệp e φ =Eφ sin ωt e θ=Eθ sin ( ωt−δ ) (1.4) Từ 1.5 ta có: sin ωt= eφ (1.5) Eφ Thay 1.6 vào 1.5 ta có Hình 1.6 √ eθ e φ e = cos δ − 1− φ sin δ(1.6) Eθ E φ Eφ Chuyển thừa số ( ) eφ cos δ biểu thức 1.6 sang vế trái sau bình phương vế ta Eφ nhận eφ e −2 φ Eφ Eφ eθ e cos δ + θ =sin δ(1.7) Eθ Eθ ( ) ( )( ) ( ) Biểu thức 1.8 phương trình tổng quát elip Tùy theo giá trị δ , E θ , Eφ dạng elip phân cực vị trí khơng gian khác , chẳng hạn:  Khi δ =nπ (n số nguyên) trường có phân cực tuyến tính π  Khi δ=(2 n+1) Eθ =Eφ trường có phân cực trịn Để đánh giá tính phân cực ta đưa vào khái niệm hệ số phân cực đặc trưng phân cực Hệ số phân cực: Tỷ số bán trục nhỏ với bán trục lớn elip gọi hệ số phân cực ký hiệu P Đặc trưng phân cực: Sự phụ thuộc hệ số phân cực vào hướng tới điểm quan sát P(θ , φ ) gọi đặc trưng hướng phân cực anten Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Cơng Đồ án tốt nghiệp Bằng tính tốn ta có hệ số phân cực trường √ √ √ 1+m 2− ( 1−m ) +4 m cos δ b P= = ( 1.8 ) 2 2 a ( ) 1+m + 1−m +4 m cos δ Ở m= Eφ Eθ Từ ta thấy trường phân cực tuyến tính ( δ=nπ ) P=0 Khi ( trường phân cực trịn δ= (2 n+1 ) π m=1 P=1 Trong trường hợp tổng quát ) 0