Đang tải... (xem toàn văn)
hệ anten thẳnghệ anten thẳnghệ anten thẳng hệ anten thẳng hệ anten thẳng hệ anten thẳng hệ anten thẳng hệ anten thẳng hệ anten thẳnghệ anten thẳnghệ anten thẳng hệ anten thẳng hệ anten thẳnghệ anten thẳng hệ anten thẳng hệ anten thẳng hệ anten thẳng hệ anten thẳng
LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô môn Điện tử Viễn thông tạo điều kiện cho em thực đồ án đặc biệt thầy giáo PGS TS Trần Xuân Việt người hướng dẫn, bảo tận tình giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn ! LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan: Những nội dung trình bày đồ án em thực hướng dẫn trực tiếp thầy giáo PGS TS Trần Xuân Việt Các tài liệu tham khảo sử dụng để thực đồ án liệt kê theo quy định đẩy đủ danh mục tài liệu tham khảo Sinh viên Phan Thị Nhung MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU RF Radio Frequency – Tần số vô tuyến DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng 2.1 2.2 2.3 Tên bảng Các đặc tính sử dụng xoay pha chốt tương tự hình xuyến loại công suất thấp công suất cao Các đặc tính của xoay pha chốt tươngtự hình xuyến băng S C Đặc trưng điển hình xoay pha quay tròn Faraday Trang 22 22 23 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Tên hình Một số dạng cấu hình hệ anten thẳng Mô hình hệ anten thẳng N phần tử Đồ thị véctơ argument Đồ thị phương hướng biên độ tổ hợp với N=7 Các anten dịch chuyển Sơ đồ hệ thống điều khiển pha chuyển mạch Sơ đồ hệ thống điều khiển pha bẳng quay pha chuyển mạch Sơ đồ hệ thống điều khiển pha sử dụng fiđe chuyển mạch Tổn hao chèn xoay pha ferit xoay pha diode Hughes Aircrait Company với băng tần số khác Bộ xoay pha ferit hình xuyến Bộ xoay pha ferit số dử dụng cuộn dây hình xuyến Cấu hình xoay pha Reggia-Spencer điển hình Bộ xoay pha quay tròn Faraday có tính tương hỗ Mạch điện tương đương diode pin Sơ đồ đổi tần Sơ đồ điều khiển pha sử dụng quay pha trực tiếp Đồ thị đa thức Chebyshev bậc Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha, N=6 hệ tọa độ cực Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha, N=6 hệ tọa độ đề Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha, N=8 Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha, N=10 Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha, N=6, (b) Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển Trang 3 10 13 14 14 16 18 19 20 21 24 26 28 32 40 40 41 42 43 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 pha, N=10 N=6, Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển pha, N=10, Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển pha, N=10, Giản đồ hướng hệ anten thẳng, điều khiển pha biên độ, N=6 N=10, , SLL=20dB Giản đồ hướng hệ anten thẳng, điều khiển pha biên độ, N=10, , SLL=20dB Giản đồ hướng hệ anten thẳng, điều khiển pha biên độ, N=10, , SLL=20dB SLL=30dB 44 45 46 48 49 49 MỞ ĐẦU Xã hội ngày phát triển khiến cho nhu cầu trang thiết bị phục vụ đời sống lĩnh vực ngày tăng Chính điều kéo theo yêu cầu cao đặt cho thiết bị phục vụ Anten thiết bị ứng dụng nhiều lĩnh vực khác kỹ thuật vô tuyến điện Tùy theo nhiệm vụ hệ thống vô tuyến mà có yêu cầu khác thiết bị anten Một dạng đặc biệt thiết bị anten hệ anten thẳng Hệ anten thẳng với hệ thống anten đơn giản loại tạo đồ thị phương hướng hẹp Để hệ anten thẳng có đặc tính thỏa mãn yêu cầu ứng dụng cụ thể ta thực điều khiển giản đồ hướng hệ việc tác động lên nhiều thành phần trọng số dòng điện kích thích cho anten đơn lẻ hệ pha, biên độ Vậy cụ thể phương pháp sao, ưu nhược điểm chúng em xin trình bày nội dung đồ án CHƯƠNG I: HỆ ANTEN THẲNG Mục tiêu thiết thực thông tin có tính hướng cải tiến tín hiệu thu đo tương đối so với nhiễu Chính xác hơn, tính định hướng cải thiện tí số tín hiệu nhiễu Việc thực cách phía phát sử dụng anten phát lượng sóng dạng chùm tia tập trung tới máy thu xa phía thu sử anten tương tự để chặn lấy lượng sóng tối đa Vì vậy, việc cải thiện tín hiệu theo mong muốn thực phía phát phía thu hai phía Một phương pháp phổ biến để có anten có đặc tính hướng xếp anten riêng lẻ loại phân chia khoảng cách định pha để tác động chúng thêm vào hướng triệt tiêu hướng lại Việc xếp gọi mạng lưới anten rời rạc hay hệ thống anten Các anten riêng lẻ gọi phần tử chúng xếp theo hình dạng khác đường thẳng, hình vuông, hình chữ nhật, vòng tròn, elip Qua nhiều năm số lượng hình dạng coi có tính thực tế giảm tương đối Việc cải thiện đặc tính xạ hệ thống anten mô tả nhiều cách khác Đôi kết có dạng hình vẽ, cho thấy mức tín hiệu tương đối hướng khác Trong số trường hợp khác, kết lại đo với điều kiện tính hướng độ lợi công suất Ở đây, tính hướng độ lợi thường xem xét đến với số tiêu chuẩn chấp nhận nguồn đẳng hướng phần tử hệ anten Một hệ thống thực tế gồm phần tử riêng rẽ nằm dọc theo đường thẳng hệ thống anten thẳng Chương ta tìm hiểu hệ thống có cấu trúc 1.1 Mô hình toán hệ anten thẳng Hình 1.1 Một số dạng cấu hình hệ anten thẳng Ta có khái niệm thống xạ thẳng sau: Hệ anten thẳng hệ thống xạ bao gồm phần tử xạ có tâm pha nằm đường thẳng Đường thẳng gọi trục hệ thống Xét hệ anten thẳng bao gồm N phần tử từ đến N-1cùng loại, đặt cách khoảng Chọn tâm pha phần tử thứ làm gốc tọa độ hình sau: Hình 1.2 Mô hình hệ anten thẳng N phần tử Trong đó: - khoảng cách phần tử hệ xác định biểu d = D thức λ (với D = 1, 2, khoảng cách chuẩn hóa so với Tại điểm khảo sát M ( R, θ , ϕ λ/2 ) ) trường vùng xa hình 1.2, ta có độ chênh lệch đường tia tới từ điểm khảo sát đến phần tử hệ anten tính theo công thức tổng quát sau: ∆R = R1 − R2 = = Rn − Rn+1 = d cosθ Với θ (1-1) góc hợp điểm khảo sát trục hệ anten Nếu lấy R1 làm chuẩn đó: Rn = R1 − (n − 1)d cosθ R1 (1-2) - khoảng cách từ điểm khảo sát M đến gốc tọa độ hệ anten Rn - khoảng cách từ điểm khảo sát M đến tâm pha phần tử n Gọi I1 giá trị cường độ dòng kích thích phần tử In giá trị cường độ dòng kích thích phần tử n Quan hệ dòng kích thích phần tử với dòng phần tử thứ xác định bởi: a& n = In iψ = ae n I1 (1-3) Trong đó: an - tỉ số dòng kích thích phần tử thứ n so với dòng kích thích phần tử thứ ψn – góc lệch pha dòng phần tử n so với dòng phần tử thứ 10 N=6 N=10 -5 f(dB) -10 -15 -20 -25 -30 20 40 60 80 100 goc pha (do) 120 140 160 180 Hình 3.6 Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển pha,N=10 N=6, Hệ anten có đồ thị phương hướng khoảng ( ÷π ) trường hợp: + N=6: gồm sáu điểm không năm điểm cực đại Cực đại nằm hướng 600 với độ rộng khoảng 200 Các cực đại phụ nằm xung quanh hai bên cực đại Mức suy giảm cực đại phụ thứ khoảng -13dB Các cực đại phụ lại độ lớn khác + N=10: gồm mười điểm không chín điểm cực đại Cực đại nằm hướng 600 có độ rộng mức suy giảm 3dB lại khoảng 11,80 Mực cực đại phụ nằm khoảng -13dB Các cực đại phụ lại có biên độ nhỏ trường hợp N=6 54 -5 f(dB) -10 -15 -20 -25 -30 20 40 60 80 100 goc pha (do) 120 140 160 180 Hình 3.7 Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển pha, N=10, Đồ thị phương hướng hệ anten 10 phần tử khoảng ( chín điểm cực đại với cực đại nằm hướng Độ rộng cực đại ( 16,10 lớn trường hợp 400 α = 600 ÷π ) có tám cực đại phụ Các cực đại phụ tính từ cực đại phụ thứ có mức suy giảm giảm dần đến giá trị lại tăng dần lên Mức cực đại phụ nằm giá trị khoảng -13dB xuất thêm cực đại phụ khác với mức suy giảm 55 -5 f(dB) -10 -15 -20 -25 -30 20 40 60 80 100 goc pha (do) 120 140 160 180 s Hình 3.8 Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển pha, N=10, Đồ thị phương hướng hệ anten trường hợp có cực đại có xu hướng bị biến dạng với độ rộng lớn góc lái tia 400 Có hai cực đại phụ có mức suy giảm khoảng -13dB Các cực đại phụ lại có mức suy giảm nhỏ Nhận xét Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển pha có: - số lượng điểm không điểm cực đại phụ thuộc theo số lượng phần tử hệ anten - độ rộng cực đại phụ thuộc vào số lượng phần tử, số phần tử lớn cực đại hẹp (hình 3.6) - cực đại đồ thị phương hướng điều khiển quét đến hướng xạ mong muốn α (khác hướng 90 56 ) Khi điều khiển quét búp sóng lệch khỏi hướng 90 , đồ thị phương hướng hệ anten không tính đối xứng ta thấy qua hình vẽ - hướng điều khiển quét búp sóng có thay đổi theo Cụ thể góc dần lên Tuy nhiên, giá trị góc α α α thay đổi độ rộng cực đại giảm dần độ rộng cực đại tăng giảm nhỏ làm biến dạng cực đại hay làm tính hướng hệ anten giảm, làm xuất thêm cực đại phụ có mức suy giảm -13dB với mực cực đại phụ thứ Điều làm cho lượng cực đại giảm tập trung phần vào hai cực đại phụ lớn Như vậy, độ rộng cực đại vừa phụ thuộc vào số phần tử vừa phụ thuộc vào giá trị góc α Do muốn điều khiển quét búp sóng hệ anten mà tạo búp sóng có độ rộng lý tưởng hướng 90 ta cần tăng số lượng phần tử hệ 3.3 Hệ anten thẳng điều khiển phức hợp (điều khiển pha biên độ) Ta thấy đặc điểm hàm phương hướng hệ anten thẳng trường hợp khảo sát trên: - Với hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha có tác dụng tạo búp sóng hẹp tập trung lượng hướng ( α = 900 lại có búp phụ mức -13,26dB - Với hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển pha có tác dụng điều khiển quét búp sóng tới hướng mong muốn mức búp phụ -13dB Như hai trường hợp có chung nhược điểm mức búp phụ -13dB Điều gây bất lợi ảnh hướng đến hiệu suất búp Giải pháp đưa để giải vấn đề thuật toán Dolph-Chebyshev, Taylor-Kaiser…Các thuật toán sử 57 sụng để phân bố biên độ dòng kích thích phần tử với mục đích nén cực đại phụ đồ thị phương hướng hệ anten mức chấp nhận Ta có hàm phương hướng hệ trường hợp là: N f (θ ,ϕ ) = f k (θ ,ϕ ) = ∑ an ei ( n−1)(ψ + kd cosθ ) (3-7) n =1 Với biên độ an dòng kích thích phân bố theo thuật toán Dolph- Chebyshev Ta thực khảo sát giản đồ hướng hệ anten 10 N=6 N=10 f(dB) -10 -20 -30 -40 -50 20 40 60 80 100 goc pha (do) 120 140 160 180 Hình 3.9 Giản đồ hướng hệ anten thẳng, điều khiển pha biên độ, N=6 N=10, , SLL=20dB Cùng khoảng ( ÷π ), hệ anten có đồ thị phương hướng với trường hợp phần tử 10 phần tử có cực đại nằm hướng 90 cực đại phụ nằm đối xứng hai bên cực đại Các cực đại phụ hai 58 trường hợp bị nén xuống với mức suy giảm 20dB với độ rộng cực đại 19, 40 (N=6) 10 11,20 (N=10) 10 alpha=60 0 -10 -10 f(dB) f(dB) alpha=90 -20 -20 -30 -30 -40 -40 -50 -50 20 40 60 80 100 goc pha (do) 120 140 160 180 20 40 60 80 100 goc pha (do) 120 140 160 180 Hình 3.10 Giản đồ hướng hệ anten thẳng, điều khiển pha biên độ, N=10, , SLL=20dB Với hệ anten 10 phần tử, đồ thị phương hướng với giá trị góc điều khiển quét búp sóng chín cực đại phụ Khi α = 900 600 90 có cực đại cực đại nằm hướng đại phụ đối xứng hai bên với độ rộng búp sóng cực đại nằm hướng 600 11,20 90 cực Còn α = 600 , đồ thị không tính đối xứng độ rộng cực đại lớn với giá trị cụ thể phụ hai trường hợp 20dB 59 12,90 Mức suy giảm cực đại 10 SLL=20 SLL=30 f(dB) -10 -20 -30 -40 -50 20 40 60 80 100 goc pha (do) 120 140 160 180 Hình 3.11 Giản đồ hướng hệ anten thẳng, điều khiển pha biên độ, N=10, , SLL=20dB SLL=30dB Trong trường hợp này, đồ thị phương hướng hệ anten có độ rộng cực đại lớn ta thay đổi mức nén cực đại phụ từ 20dB lên 30dB với số lượng phần tử giá trị góc lái tia Cụ thể mực nén cực đại phụ 20dB 12,90 11,20 với trường hợp với trường hợp mức nén cực đại phụ 30dB Nhận xét - sử dụng thuật toán để phân bố biên độ dòng kích thích phần tử hệ anten có tác dụng nén cực đại phụ thứ từ mức -13dB tới mức nhỏ cực đại phụ có biên độ - tăng số lượng phần tử hệ độ rộng búp sóng tăng theo - điều khiển quét búp sóng lệch khỏi hướng thay đổi theo tùy thuộc vào giá trị góc α 90 độ rộng cực đại - với giá trị khác mức nén cực đại phụ cho giá trị khác độ rộng cực đại Mức cực đại phụ lớn độ búp sóng 60 tăng Vậy độ rộng cực đại không phụ thuộc vào số lượng phần tử hay hướng điều khiển quét búp sóng mà phụ thuộc vào mức nén cực đại phụ Với hỗ trợ đắc lực phần mềm Matlab, ta thấy đặc điểm bật phương pháp điều khiển đồ thị phương hướng hệ anten thẳng Mỗi phương pháp có ưu điểm hạn chế riêng, ta cần cân nhắc, tính toán để lựa chọn phương pháp phù hợp để có đồ thị phương hướng phù hợp đáp ứng ứng dụng cụ thể KẾT LUẬN Sau hoàn thành đồ án em hiểu số vấn đề hệ anten thẳng cấu trúc, đặc tính phương pháp điều khiển để có giản đồ hướng hệ cách tối ưu Từ việc tìm hiểu cách thức thực đến việc khảo sát giản đồ hướng hệ anten thẳng áp dụng phương pháp khác công cụ trợ giúp đắc lực phần mềm Matlab cho ta thấy hệ anten thẳng điều khiển tạo búp sóng hẹp, quay búp sóng không gian hay nén mức cực đại phụ Thêm vào ta hiểu thêm đặc tính thiết bị xoay pha sử dụng phương pháp Qua đó, ta cân nhắc lựa chọn phương pháp điều khiển thích hợp để có hệ anten thẳng với tính hướng phù hợp với yêu cầu ứng dụng cụ thể 61 Do hạn chế kiến thức kĩ nên nội dung đồ án nhiều thiếu sót, em mong nhận nhận xét góp ý thầy giác bạn sinh viên Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn, đặc biệt thầy giáo PGS TS Trần Xuân Việt giúp đỡ em hoàn thành nội dung đồ án TÀI LIỆU THAM KHẢO GS TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, 2007 Trần Văn Cân, Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ Anten Dolph-Chebyshev”, Đại học Hàng Hải Việt Nam, 2013 Richard C Johnson, Antenna Engineering Hanbook third edition, McGrawHill, 1993 Sophocles J Orfanidis, Electromagnetic Waves and Antennas, 2004 62 PHỤ LỤC CODE LỆNH HỆ ANTEN THẲNG, ĐẲNG BIÊN, ĐIỀU KHIỂN PHA %Gian huong toa cuc clear clc N=input('Nhap so phan tu cua he anten N='); t=0:0.01:180; t=t*pi/180; f=0; for n=1:N f=f+exp(i*(n-1)*pi*cos(t)); end f=abs(f/max(f)); 63 polar(t,f) axis([-1 1.2]) grid on %Gian huong toa decac clear clc N=input('Nhap so phan tu cua he anten N='); t=0:0.01:180; teta=t*pi/180; f=0; for n=1:N f=f+exp(i*(n-1)*pi*cos(teta)); end f=abs(f/max(f)); plot(t,20*log10(f)) xlabel('goc pha (do)') ylabel('f(dB)') axis ([0 180 -40 0]) grid on 2.CODE LỆNH HỆ ANTEN THẲNG, ĐẲNG BIÊN, ĐIỀU KHIỂN PHA %Gian huong toa decac clear clc N=input('Nhap so phan tu cua anten N='); 64 alpha=input('Nhap goc lai tia='); t=0:0.1:180; teta=t*pi/180; alpha=alpha*pi/180; f=0; for n=1:N f=f+exp(i*(n-1)*pi*(cos(alpha)-cos(teta))); end f=abs(f/max(f)); plot(t,20*log10(f)) xlabel('goc pha (do)') ylabel('f(dB)') axis([0 180 -30 0]) grid on CODE LỆNH HỆ ANTEN THẲNG, ĐIỀU KHIỂN PHA VÀ BIÊN ĐỘ %Gian huong toa decac clear clc N=input('Nhap so phan tu cua he anten N=' ); alpha=input('Nhap goc lai tia alpha='); dB=input('Nhap muc nen cuc dai phu dB=' ); a=chebarray(N,dB); t=0:0.1:360; teta=t*pi/180; alpha=alpha*pi/180; f=0; for n=1:N f=f+a(n).*exp(i*(n-1)*pi*(cos(teta)-cos(alpha))); 65 end f=abs(f); plot(t,20*log10(f/max(f))) xlabel('goc pha (do)') ylabel('f(dB)') axis([0 180 -50 10]) grid on HÀM CHEBARRAY.M “functioncoefs = chebarray(M, sldb) %CHEBARRAY Compute chebyshev excitation coefficients for a linear array % Calling sequence: coefs = chebarray(M, sldb) % Input arguments: % M The number of elements in the array % sldb The sidelobe level in dB Note sldb > % % Output arguments: % coefs A vector oflength M containing the real excitation % coefficients of the array They are normalized so that the end % elements' excitation is unity % Language: Matlab 6.x % Author: Peter S Simon % Date: 12/21/2003 % Reference: A D Bresler, "A new algorithm for calculating the current % distributions of Dolph-Chebyshev arrays," IEEE Trans % Antennas Propagat., vol AP-28, no 6, November 1980 % % Copyright 2003 Peter S Simon, peter_simon@ieee.org 66 % This routine may be used by anyone for any purpose I simply ask % that acknowledgement be made to me if(sldb