Bài tập lớn học phần anten và truyền sóng tên Đề tài anten parabol

Được ứng dụng rộng rãi trong truyền hình vệ tinh, viễn thông, và các hệ thống radar, anten parabol không chỉ đơn giản là một công cụ kỹ thuật, mà còn là biểu tượng của sự tiến bộ trong v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG



-BÀI TẬP LỚN

HỌC PHẦN ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

TÊN ĐỀ TÀI ANTEN PARABOL

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN

1 Họ và tên: Nguyễn Hải Đăng (leader) MSV: 231432215Nhiệm vụ: Phân công nhiệm vụ , thiết kế mô phỏng ,

2 Họ và tên: Trần Nguyên Huân MSV: 231432247Nhiệm vụ: tìm hiểu và làm chương 1,

3

Nhiệm vụ:

4

LỜI MỞ ĐẦU

Trong kỷ nguyên công nghệ ngày nay, khi mà việc kết nối và truyền tải thông tin nhanh chóng và chính xác trở thành yếu tố sống còn, các công

cụ viễn thông đóng vai trò không thể thiếu Một trong những phát minh nổi bật trong lĩnh vực này là antenn parabol, một loại anten hình chảo

có khả năng thu nhận và phát tín hiệu vô tuyến từ khoảng cách xa Được ứng dụng rộng rãi trong truyền hình vệ tinh, viễn thông, và các

hệ thống radar, anten parabol không chỉ đơn giản là một công cụ kỹ thuật, mà còn là biểu tượng của sự tiến bộ trong việc khai thác và sử

dụng sóng vô tuyến

Lịch sử của anten parabol bắt đầu từ giữa thế kỷ 20, khi các nhà khoa học nhận ra rằng hình dạng parabol có thể tập trung sóng vô tuyến vào một điểm duy nhất, từ đó tạo ra tín hiệu mạnh mẽ và rõ ràng Từ những thí nghiệm đầu tiên của các nhà nghiên cứu như Karl Jansky và Guglielmo Marconi trong việc phát hiện sóng vô tuyến, đến những bước tiến vượt bậc trong truyền thông vệ tinh và không gian, anten parabol đã chứng tỏ giá trị không thể thay thế của mình Bài viết này sẽ tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và những ứng dụng quan

trọng của anten parabol trong thế giới hiện đại

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.Giới thiệu về anten parabol

1.1.Anten parabol là gì?

1.2.Đặc điểm của anten parabol

1.3.Các ứng dụng phổ biến của anten parabol trong truyền thông và

rada

2.Nguyên lí hoạt động của anten parabol

2.1.Phản xạ sóng

2.2.Tiêu điểm và độ phân kỳ

3.Các thông số cơ bản của anten parabol

3.1.Độ lợi

3.2.Băng thông

3.3.Góc mở búp sóng

3.4.Tỉ số F/D (tiêu cự trên đường kính) và tác động của nó đến hiệu suất

1.1.Anten parabol là gì?

CHƯƠNG 2 Phân Tích và Tính Toán Các Thông Số của Anten Parabol 2.1 Yêu cầu Thiết Kế và Các Thông Số Ban Đầu

2.1.1 Xác định các yêu cầu về kỹ thuật

2.1.2 Phân tích môi trường sử dụng và ảnh hưởng đến thiết kế anten

2.2 Tính Toán Thiết Kế Anten Parabol

2.3 Thiết Kế Bộ Cấp Nguồn (Feed System)

2.4 Lựa Chọn Vật Liệu và Các Yếu Tố Cơ Khí

CHƯƠNG 3 TÊN CHƯƠNG

3.1 Giới thiệu về MATLAB 3.1.1 Lợi ích của MATLAB trong Mô phỏng Kỹ thuật……….

3.1.2 Các Công Cụ Chính của MATLAB trong Mô phỏng Anten… 3.1.3 Mục Đích Sử Dụng MATLAB trong Chương 3……….

3.2 kết quả mô phỏng……….

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 

1.Giới thiệu về anten parabol

1.0 lịch sử phát triển của anten parabol

1. Thế kỷ 19: Nghiên cứu về sóng điện từ

 Năm 1888, nhà vật lý Heinrich Hertz đã chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ, đồng thời mở ra khả năng áp dụng các nguyên lý phản xạ

và tập trung sóng cho anten

 Hertz đã thực hiện các thí nghiệm để đo sóng radio và phát hiện rằng các gương có bề mặt parabol có thể giúp tập trung sóng vô tuyến

2. Thế chiến II: Sự phát triển mạnh mẽ của anten parabol cho radar

 Trong Thế chiến II, nhu cầu phát hiện mục tiêu từ xa đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ radar Các kỹ sư và nhà khoa học, đặc biệt là tại Anh và Mỹ, đã phát triển và cải tiến anten parabol để phục vụ cho

hệ thống radar

 Anten parabol được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống radar của quânđội để dò tìm và theo dõi tàu thuyền, máy bay và tên lửa, nhờ khả năng tập trung sóng và phát hiện mục tiêu chính xác hơn

3. Sau Thế chiến II: Ứng dụng trong viễn thông và truyền hình vệ tinh

 Sau chiến tranh, anten parabol nhanh chóng được ứng dụng vào các lĩnh vực dân sự, đặc biệt là trong viễn thông Nó được sử dụng để truyền dẫn tín hiệu vi sóng và sau đó là truyền hình vệ tinh

1.1.Anten parabol là gì?

Anten parabol có thể được định nghĩa là một loại anten có bề mặt phản xạ có

hình dạng parabol, giúp tập trung tín hiệu điện từ vào một điểm duy nhất (tiêuđiểm) Khi sử dụng để phát sóng, anten này tập trung năng lượng sóng điện từvào một chùm tia hẹp, giúp tín hiệu truyền xa và mạnh hơn Khi sử dụng để thu sóng, nó thu nhận tín hiệu từ một vùng rộng lớn và tập trung vào một điểm thu, giúp tăng cường khả năng thu sóng.Anten parabol là một loại anten

có hình dạng giống như một chiếc đĩa, được sử dụng rộng rãi trong truyền dẫnsóng vô tuyến, đặc biệt là trong các ứng dụng truyền thông vệ tinh, truyền hình, internet băng thông rộng, cũng như trong nghiên cứu khoa học và quân sự

Ăng-ten parabol đầu tiên,

được Heinrich Hertz chế tạo

1.2.Đặc điểm của anten parabol

Chất lượng tín hiệu cao: Anten parabol có khả năng tập trung sóng điện từ

rất tốt, giúp giảm thiểu các suy hao tín hiệu và tăng cường độ tín hiệu

Định hướng chính xác: Anten parabol có độ khuếch đại cao và góc nhìn hẹp,

giúp định hướng tín hiệu chính xác hơn, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độchính xác cao

Khả năng thu và phát sóng xa: Với khả năng tập trung tín hiệu mạnh, anten

parabol có thể truyền tải tín hiệu trên một khoảng cách rất xa, làm cho nó rất thích hợp với các hệ thống liên lạc vệ tinh hoặc radar

Kích thước lớn: Do yêu cầu về diện tích bề mặt phản xạ lớn để có thể thu

nhận và phát sóng hiệu quả, anten parabol thường có kích thước khá lớn, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp hoặc không gian

1.3 cấu tạo của anten parabol

 Khi thu sóng, nguồn phát sẽ thu các sóng hội tụ tại tiêu điểm và chuyểnthành tín hiệu điện.

 Bộ dẫn sóng thường được làm từ kim loại, có dạng hình ống để tối ưu hóa khả năng dẫn sóng mà không bị nhiễu

5

Hệ thống xoay và điều chỉnh

 Để tối ưu hóa hướng của anten, một hệ thống xoay hoặc động cơ điều chỉnh có thể được gắn vào anten parabol Điều này giúp điều chỉnh góc anten để hướng thẳng đến nguồn tín hiệu hoặc vệ tinh mục tiêu

 Hệ thống này thường đi kèm với bộ điều khiển tự động hoặc thủ công, phù hợp với các ứng dụng như radar hoặc liên lạc vệ tinh yêu cầu thay đổi góc phát và thu thường xuyên

1.4 Các loại Ăng-ten parabol phổ biến.

1 Anten parabol tròn (Reflector Parabolic Dish Antenna)

 Đây là loại anten parabol phổ biến nhất, có hình dạng như một đĩa tròn với nguồn phát nằm tại tiêu điểm

 Được sử dụng nhiều trong truyền hình vệ tinh, radar, và liên lạc viễn thông

 Ưu điểm của anten này là khả năng tập trung sóng cao, giúp tăng cường

độ và khoảng cách truyền sóng

2 Anten parabol phân đoạn (Segmented Parabolic Antenna)

 Loại anten này sử dụng mặt phản xạ chia thành nhiều phần nhỏ ghép lạithành hình parabol

 Thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu anten kích thước lớn, như trong các đài quan sát thiên văn, nơi không gian và chi phí sảnxuất nguyên khối quá lớn

 Các đĩa nhỏ giúp dễ dàng vận chuyển và lắp ráp, đặc biệt phù hợp với các trạm mặt đất lớn

3 Anten parabol offset (Offset Parabolic Antenna)

 Trong anten parabol offset, tiêu điểm được đặt lệch so với trục trung tâm của đĩa, do đó đĩa có hình dạng lệch

 Ưu điểm là loại bỏ các cấu trúc giá đỡ ở trung tâm, giúp giảm nhiễu sóng và tăng hiệu suất

 Thường thấy trong các anten truyền hình vệ tinh gia đình và các hệ thống viễn thông vệ tinh nhỏ

4 Anten parabol Cassegrain

 Anten parabol Cassegrain có hai mặt phản xạ: một mặt parabol chính lớn và một mặt phản xạ nhỏ hơn có hình dạng hyperbol, đặt trước tiêu điểm chính

 Sóng từ nguồn phát đi qua mặt phản xạ nhỏ trước khi phản xạ lại từ mặt parabol lớn

 Thiết kế này giúp giảm chiều dài tổng thể của anten, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu anten nhỏ gọn nhưng vẫn hiệu quả, như trong hệ thống radar và liên lạc vệ tinh chuyên dụng

5 Anten parabol Gregorian

 Đây là biến thể của anten Cassegrain, với mặt phản xạ phụ có hình parabol hoặc ellip

 Được sử dụng trong các hệ thống cần khả năng thu phát mạnh và độ chính xác cao, như trong các đài quan sát thiên văn, hệ thống thông tin

 Loại anten này sử dụng bề mặt phản xạ làm từ lưới thay vì mặt đĩa kim loại đặc.

 Thường dùng trong các ứng dụng di động hoặc khu vực chịu ảnh hưởnglớn từ gió, vì thiết kế lưới giúp giảm sức cản gió và trọng lượng

 Phổ biến trong các trạm mặt đất vệ tinh di động và các ứng dụng cần dễdàng tháo lắp

7 Anten parabol phẳng (Flat Panel Parabolic Antenna)

 Anten phẳng không có hình dạng tròn nổi bật như các anten parabol truyền thống mà thay vào đó là mặt phẳng chứa các phần tử phản xạ

 Được sử dụng nhiều trong các hệ thống vệ tinh hiện đại và truyền thông

di động vì thiết kế nhỏ gọn, dễ lắp đặt, phù hợp với các không gian hạn chế

1.5.Các ứng dụng phổ biến của anten parabol trong truyền

thông và radar

 Truyền thông vệ tinh

Anten parabol là thiết bị chủ yếu trong các hệ thống truyền thông vệ tinh Với khả năng truyền tải tín hiệu trong một phạm vi rất rộng, anten parabol được sử dụng trong việc kết nối vệ tinh với các trạm mặt đất, giúp duy trì sự liên lạc với các vệ tinh trong quỹ đạo Các vệ tinh viễn thông, truyền hình, Internet vệ tinh sử dụng anten parabol để nhận và phát sóng tín hiệu

 Radar

Trong hệ thống radar, anten parabol đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và theo dõi các đối tượng, đặc biệt là trong các ứng dụng quân sự, hàng không, hàng hải và khí tượng Radar sử dụng anten parabol để phát sóng và thu sóng phản hồi từ các đối tượng (chẳng hạn máy bay, tàu, hoặc mưa) để xác định vị trí, tốc độ và các đặc tính khác của các đối tượng đó

 Hệ thống liên lạc không dây

Anten parabol cũng được sử dụng trong các hệ thống liên lạc không dây tầm xa, chẳng hạn như liên lạc giữa các trạm thu/phát mặt đất hoặc liên lạc giữa các đài phát sóng trong mạng viễn thông Anten này giúp tăng cường khả năng truyền tín hiệu qua các khoảng cách xa mà không cần nhiều trạm phát sóng trung gian

 Phát sóng truyền hình

Trong ngành truyền hình, đặc biệt là truyền hình vệ tinh, anten parabol giúp thu tín hiệu truyền hình từ các vệ tinh và phát sóng truyền hình đến các hộ gia đình, các đài truyền hình Đặc biệt là các dịch vụ truyền hình cao cấp như HDTV (High Definition Television) cần anten

parabol để đảm bảo chất lượng hình ảnh và âm thanh sắc nét

 Nghiên cứu khoa học

Anten parabol cũng được sử dụng trong các dự án nghiên cứu khoa học, đặc biệt trong các nghiên cứu về sóng vô tuyến, thiên văn học và

thám hiểm không gian Các đài thiên văn sử dụng anten parabol cỡ lớn

để nhận sóng vô tuyến từ các thiên thể xa xôi trong vũ trụ, nhằm tìm hiểu về nguồn gốc và cấu trúc của vũ trụ

 Ứng dụng trong quân sự

Anten parabol được sử dụng trong các hệ thống radar quân sự, bao gồmradar tầm xa, radar theo dõi, và các hệ thống cảnh báo sớm Ngoài ra, trong các hệ thống liên lạc quân sự, anten parabol giúp duy trì liên lạc hiệu quả trong các điều kiện khắc nghiệt, đặc biệt là khi thiết lập liên lạc với các vệ tinh

2 Nguyên lý hoạt động của anten parabol

Anten parabol hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ của sóng điện từ qua mặtphản xạ có hình dáng parabol, giúp tín hiệu được tập trung hoặc khuếch đại

tại một điểm cụ thể — tiêu điểm (focal point) Để hiểu rõ hơn về nguyên lý

này, ta cần phân tích hai yếu tố quan trọng: phản xạ sóng và tiêu điểm/độ phân kỳ.

2.1 Phản xạ sóng:

 Phản xạ từ mặt parabol về tiêu điểm:

Mặt phản xạ của anten parabol có dạng parabol (hoặc một phần của parabol) được thiết kế sao cho mọi sóng điện từ tới từ một nguồn phát (hoặc từ một vùng không gian) sẽ được phản xạ và hội tụ tại một điểm

cụ thể — tiêu điểm của parabol.

Nguyên lý phản xạ này dựa trên đặc tính hình học của parabol Cụ thể,

nếu một sóng điện từ đi tới mặt parabol từ một nguồn phát, mọi sóng này sẽ được phản xạ theo những hướng sao cho chúng gặp nhau tại tiêuđiểm Điều này có thể giải thích như sau:

o Khi một sóng điện từ (hoặc chùm sóng) chiếu vào mặt phản xạ của anten, mặt phản xạ parabol sẽ phản xạ các sóng này về một điểm duy nhất gọi là tiêu điểm Điều này là nhờ vào định lý hình học của parabol, theo đó mọi tia sáng (hoặc sóng) tới song song với trục đối xứng của parabol sẽ được phản xạ về tiêu điểm

o Cơ chế này không chỉ áp dụng cho anten phát mà còn đối với anten thu Khi tín hiệu sóng điện từ đến từ một hướng cụ thể, mặtparabol sẽ phản xạ sóng về tiêu điểm, nơi có bộ thu (feed) thu tínhiệu

 Phản xạ từ tiêu điểm vào mặt parabol (khi phát sóng):

Ngược lại, khi anten parabol phát sóng, nguồn phát (feed) được đặt tại tiêu điểm của parabol Từ đây, tín hiệu điện từ sẽ được phát ra dưới dạng sóng điện từ Khi các sóng này chiếu vào mặt phản xạ parabol, mặt phản xạ sẽ phản xạ sóng trở lại và phát tán chúng theo hướng song song với trục đối xứng của parabol

Điều này giúp sóng điện từ phát ra từ anten có thể phủ sóng xa hơn và với cường độ mạnh hơn, vì nó được khuếch tán theo một hướng cụ thể thay vì lan tỏa một cách tán xạ không có hướng, như trong trường hợp của anten dạng dipole

2.2 Tiêu điểm và độ phân kỳ:

 Tiêu điểm:

Tiêu điểm (focal point) là điểm mà tất cả các sóng phản xạ từ mặt parabol gặp nhau Vị trí của tiêu điểm là rất quan trọng trong việc xác định chất lượng thu/phát của anten Nếu nguồn phát hoặc bộ thu không được đặt chính xác tại tiêu điểm của parabol, hiệu suất hoạt động của anten sẽ giảm đáng kể

o Trong hệ thống thu, khi tín hiệu từ một vệ tinh hoặc nguồn phát

xa chiếu vào mặt phản xạ, tín hiệu sẽ được hội tụ tại tiêu điểm nơi bộ thu tiếp nhận tín hiệu mạnh và rõ ràng

o Trong hệ thống phát, khi tín hiệu điện từ được phát ra từ tiêu điểm, sóng sẽ được phản xạ và phân tán theo một hướng có kiểmsoát, giúp tín hiệu phát ra mạnh mẽ và tập trung

 Độ phân kỳ và mối liên hệ với đường kính anten:

Độ phân kỳ (beamwidth) của một anten parabol là chỉ số mô tả độ rộng của chùm sóng mà anten phát ra hoặc thu được Độ phân kỳ của chùm

sóng liên quan mật thiết đến kích thước của anten, đặc biệt là đường kính của mặt phản xạ.

Cụ thể:

o Đường kính anten (D) càng lớn, thì beamwidth của anten sẽ

càng hẹp, tức là sóng phát ra hoặc thu vào càng tập trung, tăng

độ lợi (gain) và khả năng thu/phát tín hiệu ở khoảng cách xa

o Ngược lại, khi đường kính anten nhỏ, beamwidth sẽ rộng hơn, tínhiệu sẽ phát hoặc thu ở phạm vi rộng nhưng không có độ lợi mạnh như trong trường hợp anten có đường kính lớn

 Công thức ước tính beamwidth (độ phân kỳ góc) của anten parabol là:

θ ≈ 70λ / D

 Trong đó:

o θ là độ phân kỳ (beamwidth), thường được đo bằng độ

o λ là bước sóng của tín hiệu (đơn vị m)

o D là đường kính của mặt phản xạ anten (đơn vị m)

(a) Đồ thị cường độ của mẫu nhiễu xạ cho một khẩu độ tròn Lưu ý rằng, tương tự như một khe hở đơn, cực đại trung tâm rộng hơn và sáng hơn các cực đại ở hai bên (b) Hai vật thể điểm tạo ra các mẫu nhiễu xạ chồng lên

nhau Tiêu chuẩn Rayleigh cho khả năng phân giải vừa phải được thể hiện ở đây Cực đại trung tâm của một mẫu nằm trên cực tiểu đầu tiên của mẫu kia.

 Giải thích:

o λ là bước sóng của tín hiệu Vì bước sóng tỉ lệ thuận với tần số, một tín hiệu có tần số cao sẽ có bước sóng nhỏ, từ đó giúp giảm

độ phân kỳ và tăng khả năng tập trung tín hiệu

o Đường kính D càng lớn, độ phân kỳ càng nhỏ, dẫn đến khả năng tập trung tín hiệu mạnh mẽ hơn và phạm vi sóng sẽ hẹp lại nhưng

có cường độ cao hơn

 Điều này giải thích tại sao anten parabol có đường kính lớn thường dùng trong các ứng dụng cần truyền tín hiệu với cường độ mạnh và khoảng cách xa, chẳng hạn như truyền thông vệ tinh hay radar

3.Các thông số cơ bản của anten parabol

      3.1 Độ lợi (Gain)

Độ lợi của anten (Gain) là một chỉ số quan trọng thể hiện khả năng tập trung

và khuếch đại tín hiệu của anten so với một anten lý tưởng (antennas isotropichoặc dipole) Độ lợi càng cao, anten sẽ càng tập trung sóng vào một khu vực nhỏ, giúp tăng cường tín hiệu nhận được và giảm nhiễu

 eA là một tham số không có đơn vị giữa 0 và 1 được gọi là hiệu suất khẩu độ  . Hiệu suất khẩu độ của ăng-ten parabol thông thường là 0,55

đến 0,70