báo cáo thực hành thiết bị thu phát anten

Anten là bộ phận không thể thiếu được của bất kì hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ thì không thể không dùng tới thiế

Bài 1: BASIC ANTENNA MEASUREMENTS

I LÍ THUYẾT:

Anten là một thiết bị viễn thông dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng

từ không gian bên ngoài

Anten là bộ phận không thể thiếu được của bất kì hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ thì không thể không dùng tới thiết bị để bức xạ hay thu sóng điện từ

Phân cực Anten:

Là hàm biểu thị trường bức xạ của mỗi điểm trong không gian

Exercise 1-1: Radiation pattern of a  / 2 thực hành từ bước 1 đến bước 12 ta thu

được kết quả:

Hình 1(E1) Anten phát là Anten yagi-uda nằm ngang, anten thu là anten Dipole  / 2

Hình 2 (E2) Anten phát là Anten yagi-uda nằm dọc, anten thu là anten Dipole  / 2

H ình 3 ( H1) Phân cực trong mặt phẳng H

13 Observe your three radiation patterns Did you expect the result of second

acquisition ? Explain

Mẫu bức xạ ở H1 gồm 2 búp sóng chính gần bằng nhau

Mẫu bức xạ ở H2 bé do sự phân cực khác nhau giữa Anten thu và Anten phát khác nhau

Mẫu bức xạ ở H3 tốt nhất

Ta không muốn nhận được tín hiệu ở Anten 2 vì tín hiệu thu được rất bé

16 Using these two curors, find the angels when the power level of the main

beam chops to one halt on the E-plane pattern of the antenna 1 data box

Note: Remember that a power decreaseof one half is equivalent to an attenuation of 3 dB: 10 log 0,5 = -3 dB

Using the following equation, calculate the E-plane half-power beam width (HPBW) of the /2 dipole antenna

Note: If the left and right HPBW points are positioned on each side of the 0o

angle, you should add 360o to the HPBW right in the following equation

REVIEW QUESTIONS

5 What is mean by antenna polarization? How is the dipole antenna polarized?

- Sự phân cực của anten là: hướng vật lý của anten theo phương ngang hay phương dọc Là hàm biểu thị trường bức xạ của mỗi điểm trong không gian

- Sự phân cực của anten Dipole, có thể phân cực theo 2 hướng khác nhau: + Nếu anten nằm ngang thì cực của anten lầngng hay còn gọi là phân cực ngang (phân cực trong mặt phẳng E)

+ Nếu anten nằm dọc thì cực của anten là dọc hay còn gọi là phân cực dọc (phân cực trong mặt phẳng H)

Exercise 1 – 2: Radiation Pattern of an Open Waveguide at 10 GHz.

Thực hành từ bước 1 đến bước 9 ta được kết quả:

Hình 1: Anten phát là Anten loa, anten thu là ống dẫn sóng nối liên tục Hình 2: Anten phát là anten loa, anten thu là ống dẫn sóng nối không liên tục

 10 So sánh anten 2 và anten 2 Giải thích.

Trong cùng điều kiện thí nghiệm, cùng anten phát nhưng do ở trường hợp thứ hai (anten 2), anten thu nối không liên tục nên tín hiệu thu được nhỏ hơn rất nhiều so với trường hợp 1 (anten 1)

17 Use the cursors to evaluate the half-power beamwidth of the E’ and H

planes of your open-ended waveguide antenna

HPBWE = 63,65o HPBWH = 44,94o

18 Using the following equations, calculate the directivity of this antenna.

D = 4a 

H

E HPBW HPBW

360 2



D = 14,42

For a better approximation of the directivity (considering loss due to side lobes), use for following formula:

 

09 , 9

26000

360







H E

H

E HPBW HPBW HPBW HPBW

D= 9,09

19 Knowing that an open-ended waveguide has a radiation efficiency (n)

close to 1 and that the trasmission frequency is 10.5 GHz, estimate the effective area Ae of your antenna using the formula

Ac

Ga 42







0286 , 0 10 5 , 10

10 3 f

c :

D

a     8 9 

G

There for:

2 4 2

2

10 9167 , 5 09 , 9 4

0286 , 0













20 Compare Ae with the physical aperture Ap of your antenna To express how efficiently at the antenna physical aperture Ap isused, we use the aperture efficiency nap: Ae = nap Ap

Evaluate the physical aperture of the open-ended rectangular waveguide using the following equation

Ap = A x B = 0,013 x 0,025 (m2)

Where A and B are respectively the length and the height of the open-ended waveguide (inside dimension), in meters:

Ap = 3,25.10-4 (m2)

Then, calculate its aperture efficiency nap.

8205 , 1 10

25 , 3

10 9167 , 5

4

4







Ap

Ac

ap



The aperture efficiency of an antenna is always between 0 and 1 In this case, it should be close to 1 Your result probably exceeds this value To explain this error, reter to the following equation

H

HPBW

D

.

26000



The approximation given by this formula should be used with narrow beam antennas which, as you can see by the radiation patterns you plotted, is not the case of the open-ended rectangular waveguide The gain ofthis type of antenna

is best evaluated by experiment

Exercise 1 – 3: Gain of Pyramidal Horn Antennas.

12 Evaluate the half-power beamwidth of the E anh H planes of the horn

antenna

HPBWE = 21o HPBWH = 24o

13 Evaluate the front-to-back (F/B) ratio of the antenna’s e plane

F/BE (dB) = Main lobe (dB) – Back lobe (dB) = -2,5 – (- 22,5)

F/BE(dB) = 20 (dB)

14 Calculate the gain of the large pyramidal horn at 10,5 GHz, knowing that

it has the following dimensions:

lH = 11cm lE = 9,4cm

Mesure the inside dimensions ogf the horn aperture:

A = 9,1cm B = 7,4cm

Calculate the wavelength at 10,52 GHz

m f

9

8

10 85 , 2 10 52 , 10

10









You can now calculate:

26 , 0 094 , 0 0285 , 0 8

074 , 0

8

2 2







E l

B

S



And from Figure 1 – 31 you obtain: LE (dB) = 1,0

10 11 10 85 , 2 8

10 1 , 9

.

2 2 2







H l

A

t



And from Figure 1 – 31 you obtain: LH (dB) = 0,8

Finally, using Equation (18), calculate the gain of the antenna

  L   dB

L B GdB  E dB  H dB











































A lg 10 08 , 10

GdB = 17,54 dB

15 Knowing the hafl-power beamwidth of the large horn antenna in the E and

H planes, you can calculate an approximate value for its actual gain horn the following formula, seen in exercise 1 – 2:

51 , 6

.

26000







H

HPBW G

D

Gdb 10 logG  17 , 12dB

16 You have seen that the actual gain of an antenna can be evaluated using

Equation (5)

o

c

p

p r

G 4 Re







Where r (the antenna separation) and  should be in the same units

To calculate this gain, you will use relative values The following procedures will allow you to determine, the received (Prec) and the transmitted (Po) power

In order to accurately evaluate the antenna gains in step 16 and 17, screw the 10 dB attenuator on to the RF input on top of the Antenna Positioner and connect the SMA cable to the attenuator

a Remove both horn antenas from their masts and disconnect them from the waveguide-to-coax adapters

b Connect the adapters togerther, as shown in Figure 1-33

c On the RF Generators, turn the RF POWER ON

d Optimize the signal using the attenuation control

e Note the power of the received signal Po = -3 dB

f Turn the RF POWER OFF, disconnect the two adapters and once again set up the pyramidal horn antennas on their masts so they are 1m apart, directly facing each other

g Turn the RF POWER ON Do not modify the attenuation level

h Record the following values: PRec = -23 dB

Since your values are in dB, Equation (5) must be changed to allow for the use of this unit Using this new formula, calculate the actual gain of your antenna

) (

5 , 0 lg 10 4

lg

G  16 , 44dB

Compare the actual gain of the pyramidal horn antenna with your first two results (step 14 and 15)

17 Using your last result you can calculate the gain of a small horn antenna

using the substitution method ( the large horn becomes the reference antenna):

a The large horn antennas are still 1m apart and facing each other Use the

Attenuation control to optimize reception of the signal and note the power received

PRec   26 , 5dB

b Remove the receiving antenna from the mast and replace the large horn with

the small horn antenna Install this new set-up on the mast DO not change the antennuation level Note the power received Ptest: -3

Note: Make sure you record the maximum signal level in steps a & b.

Using Equation (4) and the real gain of the large horn as the reference gain (GRef), calculate the gain (Gtest) of the small horn antenna

) ( 2 , 18 5 , 26 7 , 14 23 Re

G Ptest

G Test   f  f     

18 To complete your familiazation with the horn antenna, estimate the effective area Ae of the large horn using the formula

4

10 85 , 2 6 , 51 4

.

r

G Ac Ac r























To obtain the linear gain you need to solve the above equation, making the following substitution:

G 1010 10 1 , 7 50 then Ac 3 , 33 10 3 m2

dB

G











The aperture efficency nap (reter to exercise 1 – 2) should be closed to ½ verity this assumption

3 10 4 , 7 10 1 , 9

10 33 , 3









B A

Ac Ap

Ac ap

 494 , 0



ap



Kết luận: Với các phương pháp đã sử dụng thì phương pháp sử dụng tham

chiếu và phương pháp dựa vào công suất thu và công suất phát được sử dụgn cho nhiều loại anten Phương pháp vật lý chỉ sử dụng cho loại anten loa

Exercise 1-4 Experiments whit /2,  , 3/2 Dipoles.

Thực hành theo các bước trong giáo trình và tính toán ta có bảng kết quả sau:

Nhận xét và tổng kết:

Do chiều dài các chấn tử của các loại anten khác nhau nên ta tính được Zin của các loại anten khác nhau

Sai số các thông số do quá trình do chiều dài vật lý của các chấn tử không thật chính xác hay do ảnh hưởng của môi trường

EXERCISE 2-1 MONOPOLE ANTENNAS

14 Compare the last two patterns acquired with those of the other monopoles What do you observe?

Tiến hành thí nghiệm ta thu được mẫu bức xạ của Anten Monopole trong trường hợp phân cực mặt phẳng E và mặt phẳng H

Mẫu bức xạ ở mặt phẳng E có 2 búp sóng gần giống nhau ở 2 nửa mặt phẳng nên trong mặt phẳng E Anten Monopole có tín định hướng cao

Mẫu bức xạ ở mặt phẳng H gần như đường tròn do ảnh hưởng nhiễu do vậy anten Monopole có thể thu được tín hiệu mọi hướng trong mặt phẳng H

Tín hiệu thu được ở mặt phẳng E và mặt phẳng H có MSL gần bằng nhau

16 Compare this last result with the E-plane pattern of the monopole Which antenna has the better gain? Give the gain difference

Trong mặt phẳng E :Anten monopole thu được tín hiệu lớn nhất so với tất

cả các loại Anten

5 , 1 380 47 , 48

26000

26000







H

HPBW

G

-EXERCISE 2-4: PARASITIC ARRAY (YAGI-UDA) ANTENNAS

I lý thuyết

Cấu tạo anten:

Gồm một chấn tử chủ động được cung cấp điện (đấu với đường dây phi độ truyền dẫn), một chấn tử thụ động làm nhiệm vụ phản xạ và một hoặc nhiều chấn tử thụ động khác làm nhiệm vụ dẫn xạ

II Thực hành:

Thực hành theo các bước trong giáo trình ta có kết quả:

NUMBER

OR

ELEMEM

TS

GAIN (DBd)

GAIN (DBi)

HPBWE

Nhận xét: Từ bảng kết qủa ta thấy các thông số của anten yagi-uda phụ thuộc vào số phần tử của anten Khi số thành phần dẫn sóng nhiều hơn thì độ lợi

G tăng lên tỷ số F/B tăng lên tức là khả năng định hướng tăng lên