BÀI TẬP LỚN VỀ MÔN TRUYỀN SÓNG VÀ ĂNTEN

Nguyên lí làm việc: Mặt gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu hoặc sóng trụ bức xạ từ nguồn sơ cấp bộ chiếu xạ với hướng tính kém thành sóng phẳng hoặc sóng gần phẳng, với năng lượng tập

Trang 1

1

Bài tập lớn môn Truyền sóng và anten

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÀNH ĐÔ KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP LỚN MÔN TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

Họ và tên: Nhóm 3

Lớp: …ĐT1… Khóa: 1…

Trang 2

2

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

Trang 3

3

ĐỀ TÀI BÁO CÁO: ANTEN GƯƠNG Nhóm 3

Nguyễn Thị Thuỳ

Nguyễn Thanh Thi

Nguyễn Văn Thức

Nguyễn Đình Sỹ

Nguyễn Khắc Sáng

Trang 4

4

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

1 Nguyên lí chung

2 Anten gương Parabol

2.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động

2.2 Các tham số và các phương pháp tính trường xa của anten gương parabol 2.3 Đồ thị phương hướng

2.4 Hiệu suất làm việc của anten

2.5 Phân loại

2.5.1 Anten parabol tròn xoay

2.5.1.1 Bộ chiếu xạ của anten parabol tròn xoay 2.5.1.2 Phân bố dòng tên mặt gương và trương trên mặt mở 2.5.1.3 Đặc trưng hướng của parabol tròn xoay

2.5.2 Anten parabol tròn xoay bị cắt

2.5.3 Anten parabol trụ

2.5.3.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động 2.5.3.2 Đặc tính của parabol trụ đối xứng 2.5.3.3 Đặc tính của parabol trụ không đối xứng 3.Anten hai gương

3.1 Anten Casegrain

3.2 Anten Gregorian

4 Kết luận

5 Tài liệu tham khảo

Trang 5

5

1 Nguyên lí chung

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ không gian bên ngoài được gọi là anten

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kì hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì đa số 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 (thiết bị anten)

Nguyên lí làm việc của anten gương tương tự như nguyên lí làm việc của

gương quang học Chúng ta sẽ khảo sát hoạt động của anten gương ở chế độ phát sóng Sóng sơ cấp với dạng mặt sóng và hướng truyền lan nhất định, sau khi phản

xạ từ mặt gương sẽ trở thành sóng thứ cấp với dạng mặt sóng và hướng truyền lan theo yêu cầu Việc biến đổi này là nhờ hình dạng và kết cấu đặc biệt của mặt phản

xạ (gọi là gương) Phần lớn gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu hoặc sóng trụ bức xạ từ nguồn sơ cấp với tính hướng kém thành sóng phẳng với năng lượng tập trung trong một không gian hẹp có tính hướng mong muốn Nguồn bức xạ sơ cấp được gọi là bộ chiếu xạ Gương phản xạ thứ cấp được dùng phổ biến nhất là gương parabol, một số sử dụng gương hyperbol

2 Anten gương Parabol

2.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động

Anten gương là những anten mà đặc trưng hướng được hình thành do sự phản xạ sóng điện từ trên mặt gương( mặt phản xạ) Người ta thường dung các anten có tính định hướng yếu làm nguồn phát xạ sóng điện từ( bộ chiếu xạ) trong các anten này Gương và bộ chiếu xạ là những yếu tố cơ bản của anten gương

Anten gương là một loại anten có những đặc trưng và tham số rất tốt trong dải sóng siêu cao tần Người ta dùng nó trong radar thu vệ tinh, vô tuyến điện…

Nguyên lí làm việc: Mặt gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu hoặc sóng trụ bức

xạ từ nguồn sơ cấp( bộ chiếu xạ) với hướng tính kém thành sóng phẳng hoặc sóng gần phẳng, với năng lượng tập trung trong một góc hẹp không gian Khi đó sẽ tạo nên một trường đồng pha ở trên mặt mở có kích thước lớn vì thế mà anten có tính định hướng cao

Trang 6

6

2.2 Các tham số và các phương pháp tính trường xa của anten gương

parabol

Phương trình parabol trong toạ độ:

-Đề Cát:

-Cực: r=

Ở đây p=2.f là tham số của parabol

f - là tiêu cự của gương parabol

ta có thể biểu diễn toạ độ x qua f và v như sau:

x=r.sinv= f ( ).sinv=2f ( )

Những tham số hình học cơ bản của gương parabol:

- Điểm O là đỉnh của parabol Khoảng cách t ừ F đến O gọi là tiêu cự

- Đường thẳng đi qua O và F gọi là trục quay hay là tiêu tuyến của gương

- G óc 2 v0 gọi là góc mở của gương

- Mặt phẳng giới hạn bởi mặt gương và mặt phẳng z=z0 gọi là mặt mở

Khoảng cách AB=2A=D gọi là đường kính của gương Khoảng cách từ z0 từ đỉnh gương đến mặt mở gọi là độ sâu của gương

Các phương pháp tính trương phát xạ của anten

Có 2 phương pháp chính: Phương pháp dòng mặt và phương pháp dòng mở Với 2 phương pháp này bài toán được giải quyết qua 2 bước:

- Bước 1: Xác định quy luật phân bố dòng mặt trên gương hoặc các thành phần tiếp tuyến của điện từ trường trên mặt mở gương

- Bước 2: Xác định trường phát xạ của anten ở vùng xa

Để làm được điều đố người ta thường giả thiết như sau:

- Các kích thước của gương và bán kính cong tại một điểm bất kì trên mặt gương đều rất lớn so với bước sóng

Trang 7

7

- Dòng và các thành phần tiếp tuyến của điện trường ở mặt “ không được chiếu rọi” của gương bằng 0

- Không chú ý đến ảnh hưởng của hiệu ứng che khuất của bộ chiếu xạ

- Không chú ý tới sự nhiễu xạ ở mép gương

- Không chú ý tới ảnh hưởng của gương tới các đặc trưng và tham số của bộ chiếu xạ

*** Phương pháp dòng mặt

Quy luật phân bố mật độ dòng điện mặt “được chiếu rọi” của gương – sau đó tính trường phát xạ trong vùng xa bằng cách tính tích phân theo gương

Mật độ dòng mặt tính theo công thức:

⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗

Trong đó:

⃗ : vector pháp tuyến ngoài đối với mặt gương

⃗⃗ : vector cườn độ từ trường của sóng do bộ chiếu xạ tạo ra trên mặt gương

*** Phương pháp trường trên mặt mở

Trường trên mặt mở được tính theo các công thức gần đúng sau:

- Đối với parabol tròn xoay( bộ chiếu xạ điểm):

√

- Đối với parabol trụ (bộ chiếu xạ tuyến tính):

Với p, là toạ độ cực điểm trên mặt mở của parabol tròn xoay

- đặc trưng hướng của bộ chiếu xạ đối với gương parabol tròn xoay

Fo(v)- đặc trưng hướng của bộ chiếu xạ đối với gương parabol trụ trong mặt phẳng chứa hình trong nghiêng của gương

Trang 8

8

r- khoảng cách của bộ chiếu xạ đến mặt gương

A(y)- quy luật phân bố biên độ trường trên bộ chiếu xạ tuyến tính của parabol trụ

2.3 Đồ thị phương hướng

Năng lượng của sóng điện từ được phản xạ từ gương và tập trung xung quanh

quang trục của gương, được gọi là búp sóng chính Tuy nhiên, do có sự ảnh hưởng bởi sự che chắn của các thanh đỡ bộ chiếu xạ cũng như của chính bộ chiếu xạ nên

gây ra miền tối ở phía sau bộ chiếu xạ; bộ chiếu xạ bức xạ sóng sơ cấp một phần

sóng truyền ra ngoài mặt gương; mặt phản xạ không phẳng tuyệt đối nên khi phản

xạ một phần năng lượng bị tán xạ Do đó đồ thị phương hướng của anten gương

parabol ngoài búp sóng chính còn có các búp sóng phụ Độ rộng búp sóng chính

θ3dB hay góc nửa công suất của đồ thị phương hướng được xác định theo công

thức:

Trong đó: f là tần số công tác (GHz), d là đường kính miệng gương (m), λ bước

sóng công tác (m)

Trang 9

9

2.4 Hiệu suất làm việc của anten

Ở anten parabol không phải tất cả năng lượng sóng bức xạ từ nguồn sơ cấp (bộ chiếu xạ) đều được phản xạ từ gương parabol Một phần năng lượng sóng được hấp thụ từ gương và một phần khác bị tán xạ ra xung quang mép gương do mặt gương không phẳng tuyệt đối Thêm vào đó, bộ chiếu xạ đặt ở giữa gương cộng với giá đỡ sẽ che chắn mất một phần miệng gương (tạo nên một vùng tối đối diện với gương) Chính vì thế mà trong thực tế hiệu suất của anten parabol chỉ đạt được khoảng 55- 70 % công suất bức xạ từ bộ chiếu xạ

Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đạicủa anten gương parabol tròn xoay:

trong đó: d đường kính miệng gương (m)

λ bước sóng công tác (m)

η hiệu suất làm việc của anten

S là diện tích thực của miệng anten (S = πd2/4)

Nếu biểu thị theo đơn vị decibel ta có:

G(dB)=20lgd(m) + 20lgf(Ghz) + 10lg η + 20,4

Chú ý: Hệ số hướng tính D và hệ số khuếch đại G trong các công thức trên được

tính ở hướng bức xạ cực đại

2.5 Phân loại

2.5.1 Anten parabol tròn xoay

2.5.1.1 Bộ chiếu xạ của anten parabol tròn xoay

Bộ chiếu xạ của parabol tròn xoay phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Đặc trưng hướng phải gần như đố xứng trục, các mức sóng phụ phải nhỏ Mức chiếu xạ ở mép gương thường lấy 0.3Emax hoặc 0.1Pmax

- Mặt sóng của bộ chiếu xạ ở gần gương phải gần như là mặt cầu Tức bộ chiếu xạ phải có tâm pha

- Bộ chiếu xạ phải có kích thước nhỏ để ít che mặt mở của gương

Trang 10

10

2.5.1.2 Phân bố dòng tên mặt gương và trương trên mặt mở

Từ biểu thức ⃗⃗ [ ⃗⃗⃗ ⃗⃗ ] ta có thể xác định được bằng vector mật độ dòng mặt có 3 thành phần theo trục toạ độ

Do tính đồng pha của trường trên mặt mở nên anten phát xạ cực đại theo hướng 0z Đồng thời theo hướng đó trường được tạo thành chủ yếu do thành phần không

có tác dụng tạo nên trường tổng cộng trong 2 mặt phẳng E và H

Thành phần không tạo nên trường tổng hợp trong mặt phẳng H do sự triệt tiêu lẫn nhau của trường do các góc phần tư khác nhau tạo nên Nhưng ở các hướng khác thì các thành phần và sẽ tạo nên 1 sự phản xạ nào đó

Trường tạo nên do các thành phần này sẽ phân cực vuông góc với trường cơ bản vì thế trên các hướng phụ trường phát xạ có tính phân cực elip

2.5.1.3 Đặc trưng hướng của parabol tròn xoay

Để tính đặc trưng hướng ta dung phương pháp mặt mở Giả thiết coi tâm pha của

bộ chiếu xạ nằm tại tiêu điểm của parabol

Đặc trưng hướng tổng hợp:

Gọi đặc trưng hướng f( của 1 yếu tố trong hệ là đặc trưng hướng của nguyên

tố diện tích mặt sóng:

| | Trong đó là hàm định hướng yếu so với nên trong các thành phần tính toán ta có thể bỏ qua thừa số này

Để tính thừa số của hệ của mặt mở tròn ta dung công thức:

| ∬ | Trong đó:

A(p, là hàm phân phối biên độ của trường trên mặt mở của gương.

Trang 11

11

là hàm phân bố pha của trường trên mặt mở của gương

toạ độ quan sát điểm

p, toạ độ của điểm trên mặt gương mở của gương trong hệ toạ độ trục

2.5.2 Anten parabol tròn xoay bị cắt

Mặt parabol bị cắt thường được dung để chế tạo nên các đặc trưng hướng có dạng quạt Nó là 1 phần của parabol tròn xoay bị cắt ra và có dạng chữ nhật hoặc ô van Mặt cắt có thể đối xứng hoặc không đối xứng- người ta lợi dụng điểm này khi muốn trừ ảnh hưởng che khuất của bộ chiếu xạ và ảnh hưởng của gương tới bộ chiếu xạ

Đối với mặt cắt của parabol thì có hệ số khuếch đại sẽ cực đại khi cường độ chiếu

ở mép gương đồng đều

Nếu mặt mở của gương có dạng hình chữ nhật thì đặc trưng hướng trong 2 mặt phẳng chính có tể tính gần đúng các công thức đó với mặt mở hình chữ nhật có phân bố biên độ pha tách biến theo cả 2 mặt phẳng

Nếu gương có dạng ô van và mép gương được chiếu xạ đều thì đặc trưng hướng của chúng được tính gần đúng với các công thức của parabol tròn xoay

2.5.3 Anten parabol trụ

2.5.3.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động

Anten parabol trụ gồm 1 bộ chiếu xạ tuyến tính nhằm tạo nên mặt sóng trụ tại

vị trí đặc gương và gương có dạng parabol trụ

Biểu thức của cường độ trường trên mặt mở của gương:

Với:

Eo- giá trị cực đại của cường độ điện trường trên mặt mở của gương( thường gắn x=0)

A1(x)- phân bố biên độ trên mặt mở của gương trong mặt phẳng hình trông nghiêng của nó

A1(y)- phân bố biên độ trên mặt mở dọc đường sinh của gương

(y)- phân bố pha dọc theo đường sinh

Trang 12

12

Qua đó ta nhận thấy phân bố pha biên độ trên mặt mở là tách biến trong hệ toạ độ hình chữ nhật Do đó đặc trưng hướng trong 2 mặt phẳng x0z và y0z là độc lập với nhau

Anten parabol trụ có bộ chiếu xạ của gương là một nguồn bức xạ thẳng được đặt dọc theo trục tiêu Phân bố của trường trên miệng anten sẽ chỉ là hàm theo toạ độ :

Để tìm hàm phân bố biên độ có thể áp dụng phương pháp đã khảo sát ở phần anten thấu kính

Trường trên miện anten:

Trong đó : Ho là biên độ cường độ từ trường trên miệng anten:

√

Trong đó: p( )max là mật độ góc của công suất bức xạ bởi bộ chiếu xạ ở hướng cực đại

2.5.3.2 Đặc tính của parabol trụ đối xứng

Đặc trưng hướng trong mặt phẳng chứa đường sinh ở trong phạm vi cánh chính và những cánh phụ đầu tiên thì sẽ giống với đặc trưng hướng của anten hướng tính

Trong mặt phẳng chưa hình trong nghiêng, đặc trưng hướng được xác định bằng tham số hình trụ của gương và bằng các tính phương hướng của bộ chiếu xạ

Anten này có phân bố pha- biên độ là tách biến nên ta xác định đặc trưng hướng của anten tuyến tính dài L đặt dọc theo trục x

Trang 13

13

2.5.3.3 Đặc tính của parabol trụ không đối xứng

Gương parabol trụ không đối xứng được biểu diễn như sau:

Với dạng anten không có hiệu ứng che khuất và phản tác dụng của gương đối với

bộ chiếu xạ

Góc Vmin= (2 đến 10) độ- cực đại cử cánh chính trong đặc trưng hướng của bộ

chiếu xạ phải nghiêng 1 goc Vm xác định

Phân bố biên độ trên mặt mờ trong mặt phẳng chứa hình trong nghiêng là không

đối xứng mặc dù đặc trưng hướng cử bộ chiếu xạ là đối xứng Điều này là do sự

tăng khoảng cách từ bộ chiếu xạ đến mặt gương từ:

Nếu phân bố biên độ không đối xứng thì đặc trưng hướng của anten sẽ không có

điểm “0”

3.Anten hai gương

3.1 Anten Casegrain

Trang 14

14

Anten Cassegrain gồm một gương phản xạ parabol tròn xoay còn gọi là

gương chính, một gương phản xạ hyperbol còn gọi là gương phụ và bộ chiếu xạ

dùng anten loa Bộ chiếu xạ được bố trí sao cho tâm loa nằm ở giữa đỉnh parabol Gương phụ có hai tiêu điểm: một trùng với tiêu điểm của gương chính và một

trùng với tâm pha của bộ chiếu xạ (hình: Mặt cắt dọc theo quang trục của anten

Cassegrain ) Anten biến đổi sóng cầu từ bộ chiếu xạ thành sóng phẳng đồng pha ở miệng gương chính sau hai lần phản xạ liên tiếp tại gương phụ và gương chính Ưu điểm của anten Cassegrain là độ rộng búp sóng chính của đồ thị phương hướng

nhỏ hơn so với anten parabol đơn, bộ chiếu xạ đặt ở ngay đỉnh gương chính nên rất thuận lợi cho viếc cấp điện Gương phản xạ phụ được lắp phía trước gương phản

xạ chính nói chung có kích cỡ nhỏ hơn loa tiếp sóng và gây ra che tối ít hơn Như vậy, anten Cassegrain cũng có nhược điểm là gương phụ chắn mất một phần không gian ở trước gương chính gây ra miền tối, làm cho phân bố biên độ của trường

không đồng đều, giảm tính định hướng của anten Hệ thống Cassegrain được sử

dụng rộng rãi cho các trạm mặt đất

Hình : Anten Casegrain

Trang 15

15

3.2 Anten Gregorian

Một dạng khác của anten hai gương là anten Gregorian Anten gồm một

gương phản xạ parabol tròn xoay chính và một gương phản xạ phụ elip tròn xoay Cũng như ở trường hợp trên, gương phản xạ phụ có hai tiêu điểm, một trùng với tiêu điểm của gương phản xạ chính và điểm kia trùng với tâm pha của loa tiếp

sóng Hoạt động của hệ thống Gregorian có nhiều điểm giống như Cassegrain

Anten Gregorian đươc minh hoạ ở hình sau:

Hình : Anten Gregorian

Định dạng
Số trang	18
Dung lượng	0,98 MB