cũng đềusử dụng anten.Việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật anten sẽ giúp ta nắm được các cơ sở lý thuyếtanten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số cơ bả
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ANTEN
Vai trò nhiệm vụ anten trong thông tin vô tuyến
Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo 2 cách:
- Dùng đường truyền định hướng như đường dây song hành, đường truyền sóng đồng trục, ống dẫn sóng,
- Dùng đường truyền vô tuyến, sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do. Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi là anten.
Anten có vai trò không thể thiếu trong hệ thống thông tin vô tuyến.
Hệ phương trình Maxwell, khảo sát trường bức xạ anten
- Khảo sát trường bức xạ anten:
+ Phương pháp : Giải hệ phương trình Maxwell đầy đủ để tìm nghiệm tổng quát+ Cách làm : Tách hệ phương trình Maxwell đầy đủ thành 2 hệ con : chỉ có nguồn điện và chỉ có nguồn từ, giải 1 hệ rồi dùng nguyên lý đổi lẫn, tổng nghiệm của hai hệ được nghiệm của hệ phương trình Maxwell đầy đủ
-Hàm phương hướng bức xạ (PHBX) biểu thị sự phụ thuộc của trường bức xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi
-Hàm phương hướng biên độ (PHBĐ) biểu thị sự phụ thuộc của biên độ trường bức xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi
Hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa
(1-5) Đồ thị phương hướng bức xạ của anten: là đồ thị vẽ trong không gian biểu thị sự phụ thuộc biên độ trường bức xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi và thường vẽ theo hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa
+ Độ rộng đồ thị phương hướng bức xạ theo mức 0 (ký hiệu là góc giữa 2 hướng mà theo
2 hướng đó công suất bức xạ giảm về 0)
+ Độ rộng đồ thị phương hướng bức xạ theo hướng nửa công suất (ký hiệu là góc giữa 2 hướng mà theo 2 hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa)
Hiệu suất bức xạ là tỷ số công suất bức xạ và công suất đặt vào anten
Hệ số định hướng của một anten theo hướng nào đó là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten theo hướng và mật độ công suất bức xạ của một anten chuẩn có cùng công suất và xét theo cùng khoảng cách
+ D(θ, φ) là hệ số hướng tính của anten khảo sát ở hướng (θ, φ) với khoảng cách r. + S(θ, φ) và S0 là mật độ công suất bức xạ của anten khảo sát ở hướng (θ, φ), khoảng cách r và mật độ công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.
Anten chuẩn là anten bức xạ đẳng hướng và hiệu suất bức xạ
Hệ số tăng ích của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng đó trên mật độ cóng suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với khoảng cách không dổi, với điều kiện cống suất đưa vào của hai anten là như nhau và anten chuẩn có hiệu suất bằng 1
Công suất bức xạ anten: (1-9)
Rbx là trở kháng bức xạ
Trở kháng vào anten được xác định bằng tỷ số giữa điện áp đầu vào của anten và dòng điện đầu vào:
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten.
- Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng
Trong đó A là diện tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten, ηa là hiệu suất làm việc của anten
- Dải tần làm việc anten: là một dải tần từ đến mà trong đó anten làm việc với các thông số cơ bản không đổi hoặc thay đổi trong phạm vị cho phép: dải hẹp, dải tương đối rộng, dải rộng, dải rất rộng
Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn kích thước giống nhau đặt thẳng hàng trong không gian, ở giữa được tiếp điện bởi dòng điện cao tần.
1.4.2 Khảo sát trường bức xạ chấn tử đối xứng Để tìm trường bức xạ ta cần biết phân bố dòng điện trên chấn tử, điều này sẽ trở nên phức tạp Ta chỉ xét phương pháp gần đúng để xác định dòng điện phân bố trên chấn tử:
Coi chấn tử đối xứng tương đương đường dây song hành, hở mạch mà trên đường dây song hành đó dòng điện phân bố theo quy luật sóng đứng, cho nên trường bức xạ của chấn tử đối xứng giống với trường bức xạ của dân dẫn thẳng có dòng điện sóng đứng
Thật vậy, đường dây song hành có thể biến dạng để nhận được chấn tử đối xứng bằng cách mở rộng đầu cuối của đường dây đến khi góc mở giữa hai nhánh bằng 180 o Giả sử khi biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng thì quy luật dòng điện trên hai nhánh vẫn không đổi (vẫn có dạng sóng đứng)
(1-12) là biên độ dòng điện ở điểm bụng sóng đứng l là độ dài một nhánh chấn tử
1.4.3 Tham số của chấn tử đối xứng
Hàm tính hướng bức xạ của chấn tử đối xứng trong mặt phẳng E:
- Trở kháng sóng chấn tử
- Trở kháng vào chấn tử:
Chấn tử đối xứng
Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn kích thước giống nhau đặt thẳng hàng trong không gian, ở giữa được tiếp điện bởi dòng điện cao tần.
1.4.2 Khảo sát trường bức xạ chấn tử đối xứng Để tìm trường bức xạ ta cần biết phân bố dòng điện trên chấn tử, điều này sẽ trở nên phức tạp Ta chỉ xét phương pháp gần đúng để xác định dòng điện phân bố trên chấn tử:
Coi chấn tử đối xứng tương đương đường dây song hành, hở mạch mà trên đường dây song hành đó dòng điện phân bố theo quy luật sóng đứng, cho nên trường bức xạ của chấn tử đối xứng giống với trường bức xạ của dân dẫn thẳng có dòng điện sóng đứng
Đường dây song song có thể biến dạng thành chấn tử đối xứng khi góc mở giữa hai nhánh đạt 180 độ Trong quá trình biến dạng này, quy luật dòng điện trên hai nhánh vẫn duy trì dạng sóng đứng, đảm bảo sự ổn định và tính đối xứng của chấn tử.
(1-12) là biên độ dòng điện ở điểm bụng sóng đứng l là độ dài một nhánh chấn tử
1.4.3 Tham số của chấn tử đối xứng
Hàm tính hướng bức xạ của chấn tử đối xứng trong mặt phẳng E:
- Trở kháng sóng chấn tử
- Trở kháng vào chấn tử:
LÝ THUYẾT VỀ ANTEN LOGA CHU KỲ
Nguyên lý làm việc
Tuân theo hệ quả của nguyên lý tương tự:
+ Hệ quả của nguyên lý tương tự : dựa vào nguyên lý tương tự có thể thiết lập các anten không phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiều khu vực có kích thước hình học khác nhau Kích thước hình học của các khu vực ấy tỉ lệ với nhau theo một hệ số nhất định Khi anten làm việc với bước song nào đó thì sẽ chỉ có một khu vực của anten tham gia vào quá trình bức xạ Khu vực này gọi là miền bức xạ của anten Khi bước song công tác thay đổi thì miền bức xạ của anten sẽ dịch chuyển đến khu vực mà tỉ lệ kích thước hình học của các phần tử bức xạ với bước sóng như lúc trước
+ Để đảm bảo đồ thị phương hướng của anten trong mặt phẳng không biến đổi khi thay đổi tần số công tắc,anten được đặt nghiêng một góc đenta so với mặt đắt ,sao cho độ cao tương đối của mỗi phần tử so với một đất là đại lượng không đổi :
+ Nếu tần số tăng lần thì kích thước l giảm lần => chấn tử bức xạ chính chuyển sang chấn tử kế bên cạnh có kích thước nhỏ hơn
Đặc điểm trường bức xạ
+ Tại mỗi chấn tử bức xạ chính, ta xác định một bước sóng hay một tần số làm việc + Lúc này chấn tử bức xạ chính đóng vai trò giống như chấn tử chủ động của anten Yagi
+ Hàm phương hướng bức xạ mặt phẳng H (yoz):
+ Hàm phương hướng bức xạ mặt phẳng E (xoz):
+ Hệ số định hướng : góc là độ rộng của góc nửa công suất lần lượt trong mặt phẳng E và H + Mô tả đồ thị phương hướng bức xạ :
Tiếp điện cho anten
+ Tiếp điện chéo như hình :
+ Mô hình tiếp điện có tính chất đối xứng ,phù hợp với việc tiếp điện cho anten sử dụng đường dây song hành (vì có tính đối xứng )
Nếu muốn tiếp điện bằng cáp đồng trục thì phải sử dụng phương pháp biến đổi đối xứng.
TÍNH TOÁN ANTEN LOGA – CHU KỲ
Yêu cầu đề bài: Dải tần hoạt động từ 3- 4 GHz
Hệ số tăng ích > 6dBi
Trang web dùng để tính toán: https://hamwaves.com/lpda/en/index.html
INPUT
Diameter of the shortest element = 1 mm⌀
Characteristic input impedance Zc_in = 50 Ω
RESULTING DESIGN
Dipole element lengths: dipole ℓ = 0.050 m₁ dipole ℓ = 0.046 m₂ dipole ℓ = 0.042 m₃ dipole ℓ = 0.039 m₄ dipole ℓ = 0.035 m₅ dipole ℓ = 0.033 m₆ dipole ℓ = 0.030 m₇ dipole ℓ = 0.027 m₈ dipole ℓ = 0.025 m₉ dipole ℓ = 0.023 m₁₀
Sum of all dipole lengths ℓ = 0.350 mₜₒₜ
Distances between the element centres and their position along the boom: d , = 0.017 m, i.e ℓ @ 0.017 m₁ ₂ ₂ d , = 0.016 m, i.e ℓ @ 0.033 m₂ ₃ ₃ d , = 0.014 m, i.e ℓ @ 0.047 m₃ ₄ ₄ d , = 0.013 m, i.e ℓ @ 0.061 m₄ ₅ ₅ d , = 0.012 m, i.e ℓ @ 0.073 m₅ ₆ ₆ d , = 0.011 m, i.e ℓ @ 0.084 m₆ ₇ ₇ d , = 0.010 m, i.e ℓ @ 0.094 m₇ ₈ ₈ d , = 0.009 m, i.e ℓ @ 0.104 m₈ ₉ ₉ d , = 0.009 m, i.e ℓ @ 0.113 m₉ ₁₀ ₁₀
Length of the terminating stub ℓ_Zterm = 0.012 m
MÔ PHỎNG ANTEN LOGA CHU KỲ BẰNG HFSS
Kết quả mô phỏng
chiều dài của các phần tử dipole Điều chỉnh này thường được thực hiện cho các phần tử nhỏ hơn ở đầu tần số cao của ăng-ten log-periodic.
Giảm Khoảng Cách Giữa Phần Tử: Giảm khoảng cách giữa các phần tử, đặc biệt là đối với các phần tử nhỏ hơn, cũng có thể giúp mở rộng dải tần số lên tần số cao hơn Điều chỉnh này thường là cần thiết để duy trì tính chất log-periodic của ăng-ten.
Hiệu Chỉnh Tỷ Lệ Taper: Tỷ lệ taper là tỷ lệ giữa chiều dài của phần tử dài nhất và chiều dài của phần tử ngắn nhất Việc điều chỉnh tỷ lệ taper có thể ảnh hưởng đến đặc tính tần số của ăng-ten log-periodic Việc điều chỉnh tỷ lệ này có thể giúp đạt được hiệu suất tốt hơn ở tần số cao hơn.
Sử dụng balun rộng băng giúp duy trì sự phù hợp trở kháng và hiệu suất ăng-ten log-periodic trên dải tần rộng, trong khi các phần tử phản xạ và hướng trong một số ăng-ten log-periodic có thể ảnh hưởng đến dải tần số bằng cách điều chỉnh chiều dài và khoảng cách của chúng.
4.8.2 Để tăng độ lợi cho anten loga chu kỳ, ta có những cách sau:
Tăng Chiều Dài Các Phần Tử (Elements): Một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ lợi của anten là chiều dài của các phần tử dipole Tăng chiều dài của các phần tử, đặc biệt là các phần tử ở phần tần số thấp, có thể cải thiện độ lợi.
Tăng số lượng phần tử trên anten log-periodic góp phần tăng độ lợi hiệu quả Tuy nhiên, cần cân nhắc kỹ lưỡng vì việc tăng thêm phần tử khiến kích thước anten to hơn.
Tối Ưu Hóa Góc Nghiêng (Taper Angle): Góc nghiêng của anten log-periodic cũng có ảnh hưởng đến độ lợi Tối ưu hóa góc nghiêng có thể cải thiện hiệu suất tại các tần số cụ thể.
Sử dụng cấu trúc Reflector và Director: Để nâng cao độ tập trung và hiệu suất, một số ăng ten log-periodic được tích hợp các thành phần phản xạ (reflector) và thành phần hướng dẫn (director) Các thiết kế này đòi hỏi cấu trúc phức tạp hơn.
Chọn Các Vật Liệu Hiệu Quả: Sử dụng vật liệu hiệu quả có thể cải thiện hiệu suất của anten, đặc biệt là trong việc giảm mất mát và tăng độ lợi. Điều Chỉnh Cấu Trúc Tản Phản (Ground Plane): Cấu trúc tản phản dưới anten cũng có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa độ lợi Một mặt đất tốt có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của anten.
ỨNG DỤNG CỦA ANTEN LOGA CHU KỲ
* Mở rộng dải tần của anten
Khi tín hiệu có dải tần rộng truyền qua ăng-ten, cường độ dòng điện trong ăng-ten phát hoặc suất điện động thu được trong ăng-ten thu sẽ thay đổi theo tần số, làm méo dạng phổ tín hiệu Mỗi tần số trong phổ còn gây ra độ trễ pha khác nhau, dẫn đến méo pha tín hiệu Do đó, ăng-ten cần có dải tần làm việc cụ thể và duy trì hằng số trong dải tần đó để đảm bảo chất lượng tín hiệu.
Dải tần công tác của anten là dải tần mà trong đó anten hoạt động dưới những thông số kỹ thuật nhất định, như đặc tính phương hướng, trở kháng vào và dải thông tần Các thông số này có thể thay đổi tùy thuộc vào từng loại anten cụ thể Khi anten hoạt động trên các tần số khác nhau, nó phải đảm bảo đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật này để đạt hiệu suất tối ưu.
Tỷ số của tần số cực đại và cực tiểu của dải tần công tác gọi là hệ số bao trùm dải sóng. Trong đó, dải tần số của anten loga chu kỳ có thể đạt được với hệ số bao trùm khoảng 10/1 và lớn hơn.
Căn cứ theo dải tần số công tác, anten loga- chu kỳ thuộc loại anten dải tần siêu rộng :
* Ứng dụng: Ăng ten loga chu kỳ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực cần có mức băng thông rộng cùng với khả năng định hướng và hệ số tăng ích Có một số khu vực nơi ăng-ten được sử dụng:
+ Thông tin liên lạc HF: Ăng ten loga chu kỳ thường được sử dụng cho lưu lượng ngoại giao trên các băng tần HF Nó hoạt động tốt vì các đại sứ quán và những người dùng tương tự khác sẽ cần phải hoạt động trên nhiều lựa chọn tần số trong dải tần HF và thường chỉ khả thi nếu có một ăng- ten Một Ăng ten loga chu kỳ duy nhất sẽ cung cấp quyền truy cập vào một số lượng tần số đủ lớn trên các dải tần HF để cho phép thực hiện liên lạc bất chấp các biến thể trong tầng điện ly thay đổi tần số làm việc tối ưu.
+ Truyền hình mặt đất UHF: Ăng ten loga chu kỳ đôi khi được sử dụng để thu sóng truyền hình mặt đất UHF Vì các kênh truyền hình có thể nằm trên một phần rộng của phổ UHF, loga chu kỳ cho phép phủ đủ băng thông.
+ Phép đo EMC: EMC là vấn đề then chốt đối với tất cả các sản phẩm điện tử Thử nghiệm yêu cầu quét tần số được thực hiện trên các dải tần số rộng Khi kiểm tra phát xạ bức xạ, cần có ăng ten có thể cung cấp phản hồi phẳng trên một dải tần số rộng Loga chu kỳ có thể cung cấp hiệu suất cần thiết và được sử dụng rộng rãi trong hình thức ứng dụng này.
Có nhiều ứng dụng khác, nơi có thể sử dụng ăng-ten loga chu kỳ Bất kỳ ứng dụng nào cần khả năng định hướng và băng thông rộng đều là những ứng dụng lý tưởng cho dạng thiết kế ăng ten RF này.
Xét về kích thước và hệ số tăng ích thấp hơn Yagi, dipole loga chu kỳ có xu hướng không được sử dụng rộng rãi như Yagi Tuy nhiên, LPDA tự xuất hiện khi cần băng thông rộng.