III. Đặc tính phương hướng của Anten chấn tử đối xứng trình bày bằng Matlab

Các đặc tính của Anten chấn tử đối xứ

LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, khoa học công nghệ phát triển như vũ bão trên mọi lĩnh vực với hàng loạt những nghiên cứu, phát minh mới đã góp phần không nhỏ trong việc nâng cao trình độ sản xuất và đời sống của con người. Một trong những lĩnh vực được đánh giá là có triển vọng nhất và được coi là thế mạnh của Việt Nam hiện nay phải kể đến viễn thông, nó làm cho con người xích lại gần nhau hơn, làm cho khoảng cách địa lý không còn ý nghĩa nữa. Đóng góp vào sự phát triển mạnh mẽ nói trên chúng ta phải nói đến sự phát triển của các thiết bị thu phát và khả năng truyền lan sóng điện từ hiện nay, bởi lẽ hầu hết các hệ thống truyền dẫn thông tin, liên lạc chúng đều sử dụng phương thức truyền lan sóng điện từ là chủ yếu. Các thiết bị thu phát và chuyển tiếp sóng điện từ gọi chung là anten. Tuỳ theo điều kiện công tác, mục đích sử dụng cũng như kết cấu của các hệ thống viễn thông mà ta sử dụng nhiều loại anten khác nhau: anten chấn tử, anten khe, anten mạch dải, anten gương, anten xoắn… Do nhu cầu thông tin, liên lạc, truyền tải dữ liệu ngày càng cao nên các băng tần ở dải sóng dài, sóng trung dần dần bị thay thế bởi các băng tần ở dải sóng ngắn và cực ngắn. Với lợi thế là khả năng bức xạ tốt ở các dải sóng này cùng với kết cấu tương đối đơn giản, dễ dàng điều chỉnh và kết hợp với các loại anten khác để tạo thành một hệ bức xạ mà anten chấn tử là lựa chọn tối ưu trong hầu hết các thiết bị vô tuyến điện. Trong phạm vi đề tài này, em đã nghiên cứu đặc tính phương hướng của chấn tử đối xứng và biểu diễn trực quan bằng trương trình matlab. Đồng thời đưa ra một số bài toán về đặc tính phương hướng của chấn tử đối xứng. Nội dung đề tài bao gồm 3 phần : I. Khái quát về Anten và Anten chấn tử đối xứng II. Các đặc tính của Anten chấn tử đối xứng III. Đặc tính phương hướng của Anten chấn tử đối xứng trình bày bằng Matlab Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Xuân Việt đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu, đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và các bạn đã giúp em hoàn thành đề tài này. Mặc dù đã cố gắng để hoàn thiện đồ án này, nhưng sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn sinh viên quan tâm đến vấn đề này để xây dựng nên một đề tài hoàn thiện hơn. 1 Chương I KHÁI QUÁT VỀ ANTEN VÀ ANTNE CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 2 1.1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ANTEN 1.1.1: Khái niệm Anten và vị trí của Anten trong thông tin vô tuyến điện Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ trong không gian bên ngoài. Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì đã là hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ nên không thể thiếu thiết bị thu phát sóng điện từ hay chính là Anten. Một hệ thống truyền dẫn đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, Anten phát và Anten thu (Hình1.1). Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa…. Hình 1.1: Hệ thống truyền tin đơn giản Ở nơi phát, sóng điện từ cao tần được truyền dẫn từ máy phát đến Anten thông qua hệ thống fidơ dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong fidơ thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian. Cấu tạo của Anten quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện nói trên. Tại nơi thu, Anten làm nhiệm vụ ngược lại với Anten phát, Anten thu tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc, sóng này được truyền theo fidơ đến máy thu. Yêu cầu của thiết bị Anten – fidơ là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng sóng điện từ với hiệu quả cao nhất và không gây méo dạng tín hiệu. Đầu ra nhận tin Nguồn tin Thiết bị xử lý tín hiệu Máy phát Máy thu Thiết bị xử lý tín hiệu Anten phát Anten thu 3 Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau thì có những yêu cầu khác nhau. Với các đài phát thanh, vô tuyến truyền hình thì Anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất), để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều thu được tín hiệu của đài. Xong Anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng với hướng cực đại song song mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo hướng không cần thiết. Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin truyền tiếp, rađa, vô tuyến điều khiển … thì lại yêu cầu Anten bức xạ với hướng tính cao (sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian). Như vậy nhiệm vụ của Anten không phải chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướng nhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước. 1.1.2: Phân loại Anten, một số Anten thông dụng a. Phân loại Anten Anten có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, thường theo các cách phân loại sau: - Công dụng của Anten: Anten có thể được phân loại thành Anten phát, Anten thu hoặc Anten thu phát dùng chung. Thông thường Anten làm nhiệm vụ cho cả phát và thu. - Dải tần công tác của Anten: Anten sóng dài, Anten sóng trung, Anten sóng ngắn và Anten sóng cực ngắn. - Cấu trúc của Anten: - Đồ thị phương hướng của Anten: Anten vô hướng và Anten có hướng. - Phương pháp cấp điện cho Anten: Anten đối xứng và Anten không đối xứng. b.Một số Anten thông dụng Trong thực tế có một số loại Anten thông dụng sau: 4 Hình 1.2: Một số loại anten thông dụng 1.2.3 Các thông số cơ bản của Anten 5 Anten Dipole Dipole Hình nón Anten Khung Anten Loa Anten Lò xo Anten Parabol Anten Loga chu kỳ Phiến kim loại Lớp đế điện môi Anten mạch dải Màn chắn kim loại Điểm cấp Bộ dịch pha Anten Mảng Để đánh giá, lựa chọn hoặc sử dụng tốt một anten phải dựa trên những đặc tính và tham số của nó. Dưới đây là những đặc tính và tham số cơ bản của anten. a. Hàm tính hướng Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ của anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi, được ký hiệu là ( , )f θ ϕ . Hàm tính hướng được thể hiện ở các dạng sau: • Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng là hàm véc tơ phức, bao gồm các thành phần theo θ và φ ( ) ( ) ( ) , , ,f f i f i θ θ ϕ ϕ θ ϕ θ ϕ θ ϕ = + (1.1) • Để đơn giản cho việc khảo sát tính hướng của một anten cũng như thiết lập và phân tích đồ thị phương hướng ta thường dùng một hàm biên độ chuẩn hóa, là hàm số biểu thị biên độ cường độ trường ở hướng khảo sát trên biên độ cường độ trường ở hướng cực đại. ( ) ( ) ( ) ax , , , m f F f θ ϕ θ ϕ θ ϕ = (1.2) Như vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1. b. Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố định (tính từ anten). Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian ba chiều (có dạng hình khối) nhưng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ. Thông thường, đồ thị phương hướng là một mặt cắt của đồ thị hướng tính ba chiều. Đó là đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại đồ thị có thể hiển thị dễ dàng trên giấy(Hình 1.3). Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa và được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa của anten. Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng của các anten khác nhau. Từ đồ thị phương hướng ta nhận thấy rằng, giá trị trường bức xạ biến đổi theo sự biến đổi của các góc phương hướng khác nhau. Vì vậy để đánh giá dạng của đồ thị phương hướng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thị 6 phương hướng hay còn gọi là độ rộng búp sóng. Độ rộng búp sóng được xác định bởi góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định. Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thường thì độ rộng búp sóng nửa công suất được sử dụng. Độ rộng búp sóng nửa công suất là góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạ cực đại. Nếu tính theo giá trị của cường độ điện trường thì độ rộng búp sóng này ứng với góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ điện trường giảm đi 2 lần so với giá trị cực đại của anten trong tọa độ cực. Nếu tính theo đơn vị decibel (dB), khi công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứng với công suất sẽ giảm 3 dB. Bởi vậy độ rộng búp sóng nửa công suất còn được gọi là độ rộng búp sóng 3 dB, ký hiệu là θ 3dB (hình 1.4). Như vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xạ theo một hướng nào đó, nếu góc θ 3dB càng bé thì anten đó tập trung công suất bức xạ càng mạnh. a. Trong hệ tọa độ cực b. Trong hệ tọa độ vuông Hình 1.3. Ví dụ đồ thị phương hướng 7 -60 -30 30 θ o 0,25 0,50 0,75 1,0 0 90 -90 60