đây là Bài tập lớn giữa kỳ anten truyền sóng Lớp KSTN ĐTVT K59 ĐHBKHN Thầy giáo Lâm Hồng Thạch Đề tài: Anten Loga – Chu kỳ Kỳ 1 năm 3 Chuyên ngành điện tử viễn thông Môn Anten truyền sóng cực khó
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN ANTEN TRUYỀN SÓNG Đề tài: Anten Loga – Chu kỳ Giảng viên hướng dẫn: GS Lâm Hồng Thạch Nhóm thực hiện: Đào Nguyên Dương Ngô Đỗ Đăng Khoa Ngô Gia Tiến 20140851 20142350 20144468 Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2016 MỤC LỤC I CƠ SỞ LÝ THUYẾT ANTEN 1.1 Vai trò nhiệm vụ anten thơng tin vơ tuyến Việc truyền lượng điện từ không gian thực theo cách: - Dùng đường truyền định hướng đường dây song hành, đường truyền sóng đồng trục, ống dẫn sóng, - Dừng đường truyền vơ tuyến, sóng truyền dạng sóng điện từ tự Thiết bị dùng để xạ sóng điện từ thu nhận sóng từ khơng gian bên ngồi gọi anten Anten có vai trò khơng thể thiếu hệ thống thơng tin vơ tuyến 1.2 Hệ phương trình Maxwell, khảo sát trường xạ anten * Hệ phương trình Maxwell: (1-1) * Khảo sát trường 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 hệ con: có nguồn điện có nguồn từ, giải hệ dùng nguyên lý đổi lẫn, tổng nghiệm hệ nghiệm hệ phương trình Maxwell đầy đủ (1-2) (1-3) trở kháng sóng mơi trường , hàm xạ điện xạ từ 1.3 Các đặc trưng anten - Hàm phương hướng xạ (PHBX) biểu thị phụ thuộc trường xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi - Hàm phương hướng biên độ (PHBĐ) biểu thị phụ thuộc biên độ trường xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi (1-4) - Hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa (1-5) - Đồ thị phương hướng xạ anten: đồ thị vẽ không gian biểu thị phụ thuộc biên độ trường xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi thường vẽ theo hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa + Độ rộng đồ thị phương hướng xạ theo mức (ký hiệu ) góc hướng mà theo hướng cơng suất xạ giảm + Độ rộng đồ thị phương hướng xạ theo hướng nửa cơng suất (ký hiệu góc hướng mà theo hướng cơng suất xạ giảm nửa - Hiệu suất xạ tỷ số công suất xạ công suất đặt vào anten (1-6) - Hệ số định hướng anten theo hướng ( tỷ số mật độ công suất xạ anten theo hướng mật độ công suất xạ anten chuẩn có cơng suất xét theo khoảng cách R (1-7) Anten chuẩn anten xạ đẳng hướng hiệu suất xạ - Hệ số tăng ích: (1-8) - Cơng suất xạ anten: (1-9) với S mặt cầu bao quanh anten - Trở kháng xạ: (1-10) - Trở kháng vào anten: (1-11) Hầu hết anten hoạt động dải tần định để truyền lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng đầu máy phát đầu vào anten - Dải tần làm việc anten: dải tần từ đến mà anten làm việc với thơng số không đổi thay đổi phạm vị cho phép 1.4 Chấn tử đối xứng 1.4.1 Khái niệm Chấn tử đối xứng cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn kích thước giống đặt thẳng hàng khơng gian, tiếp điện dòng điện cao tần Hình 1.1 1.4.2 Khảo sát trường xạ chấn tử đối xứng Để tìm trường xạ ta cần biết phân bố dòng điện chấn tử, điều trở nên phức tạp Ta xét phương pháp gần để xác định dòng điện phân bố chấn tử: Coi chấn tử đối xứng tương đương đường dây song hành, hở mạch mà đường dây song hành dòng điện phân bố theo quy luật sóng đứng, trường xạ chấn tử đối xứng giống với trường xạ dân dẫn thẳng có dòng điện sóng đứng Thật vậy, đường dây song hành biến dạng để nhận chấn tử đối xứng cách mở rộng đầu cuối đường dây đến góc mở hai nhánh 180o Giả sử biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng quy luật dòng điện hai nhánh khơng đổi (vẫn có dạng sóng đứng) (1-12) biên độ dòng điện điểm bụng sóng đứng độ dài chấn tử Hình 1.2 Do đó, trường xạ chấn tử tính theo trường xạ dây dẫn thẳng có dòng điện sóng đứng (1-13) (1-14) Hàm phương hướng xạ chấn tử: (1-15) dòng điện đầu vào chấn tử (tại z=0) - Trở kháng sóng chấn tử (1-16) - Trở kháng vào chấn tử: (1-17) II NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO ANTEN LOGA – CHU KỲ * Nguyên lý tương tự điện động học Nếu biến đổi đồng thời bước sóng cơng tác tất kích thước anten theo tỷ lệ giống đặc tính anten (đồ thị phương hướng, trở kháng vào, ) không đổi Theo nguyên lý thiết lập anten khơng phụ thuộc tần số cách cấu tạo anten với nhiều khu vực có kích thước khác nhau, tỷ lệ theo hệ số định Khi anten làm việc với bước sóng có khu vực anten tham gia vào trình xạ (miền xạ anten) Khi bước sóng thay đổi miền xạ dịch chuyển đến khu vực mà tỷ lệ kích thước hình học phần tử xạ với bước sóng khơng đổi Anten tạo tập hợp chấn tử có kích thước khoảng cách khác tiếp điện từ đường fide song hành chung hình (các chấn tử nhận dòng từ fide theo cách tiếp điện chéo): Hình 2.1 Kích thước chấn tử khoảng cách chúng biến đổi dần theo tỉ lệ, tỉ lệ gọi chu kỳ kết cấu: (2-1) Đặc tính kết cấu anten loga - chu kỳ xác định hai thông số τ góc α Nếu máy phát làm việc tần số f0 đó, tần số lại tần số cộng hưởng chấn tử trở kháng chấn tử điện trở ( ) Các chấn tử khác thành phần điện kháng, giá trị điện kháng lớn độ dài chấn tử khác xa với chấn tử cộng hưởng,có nghĩa chấn tử xa chấn tử cộng hưởng Chấn tử cộng hưởng kích thích mạnh Các chấn tử khơng cộng hưởng có dòng điện chạy qua nhỏ nên trường xạ anten định chủ yếu xạ của chấn tử cộng hưởng số chấn tử lân cận gần Những chấn tử tạo nên miền xạ anten Dòng điện chấn tử miền xạ có tiếp nhận trực tiếp từ fide hình thành cảm ứng điện trường chấn tử cộng hưởng Các chấn tử nằm phía trước chấn tử cộng hưởng có chiều dài nhỏ hơn, có dung kháng vào, dòng cảm ứng chấn tử chậm pha so với dòng chấn tử có độ dài Và ngược lại, chấn tử phía sau chấn tử cộng hưởng có chiều dài lớn hơn, có cảm kháng vào, dòng cảm ứng chấn tử sớm pha so với dòng chấn tử có độ dài Các chấn tử nhận dòng từ fide theo cách tiếp điện chéo nên chấn tử kề có dòng điện lệch pha 180 cộng với góc lệch pha truyền sóng đoạn fiđe mắc chấn tử Tập hợp tất yếu tố trên, ta nhận dòng tổng hợp chấn tử miền xạ có góc lệch pha giảm dần theo chiều giảm kích thước anten Nếu tần số máy phát giảm đi, τ f0 (τ < 1) vai trò chấn tử cộng hưởng dịch chuyển sang chấn tử có độ dài lớn kế đó, ngược lại, tần số tăng lên f0/τ chấn tử cộng hưởng chuyển sang chấn tử ngắn kế Ví dụ chấn tử cộng hưởng với tần số f1, ta có Nếu tần số máy phát giảm xuống chấn tử cộng hưởng có độ dài là: (2-2) Ở tần số: (2-3) chấn tử cộng hưởng có độ dài tương ứng là: (2-4) anten xuất miền xạ mà chấn tử phản xạ có độ dài Trong đó: số thứ tự chấn tử, tần số cộng hưởng chấn tử thứ n, độ dài chấn tử thứ n Miền xạ anten dịch chuyển tần số công tác thay đổi, hướng xạ cực đại giữ nguyên Lấy loga hai vế biểu thức (2-3) ta có: (2-5) Ta thấy biểu thị tần số thang đo logarit tần số cộng hưởng anten lặp lại qua khoảng giống lnτ, mà người ta gọi anten anten loga-chu kỳ Khi anten hoạt động tần số cộng hưởng thông số điện đồ thị phương hướng, trở kháng vào,… khơng có thay đổi Nhưng ứng với tần số trung tâm tần số cộng hưởng f1÷ f2, f2÷ f3, , fn-1÷ fn, tần số anten bị thay đổi nhỏ Ta cấu tạo anten cho khoảng tần số kề thông số biến đổi giới hạn chấp nhận Đồ thị phương hướng anten xác định số lượng chấn tử miền xạ tác dụng, thông thường khoảng từ đến chấn tử, tương quan biên độ pha dòng điện chấn tử Các đại lượng lại phụ thuộc vào thơng số hình học τ α Với α xác định, tăng τ số chấn tử thuộc miền xạ tác dụng tăng, đồ thị phương hướng hẹp lại Nhưng tăng τ lớn đặc tính phương hướng lại xấu lúc kích thước miền xạ tác dụng giảm chấn tử gần Giữ nguyên τ, giảm α đến giới hạn định làm hẹp đồ thị khoảng cách chấn tử lại tăng tăng kích thước miền xạ tác dụng Các giá trị giới hạn τ α thường là: ≈ 0.95 ≈ 10° Độ rộng dải tần số anten xác định kích thước cực đại cực tiểu chấn tử: ≈ 2lmin ≈ 2lmax 10 Thực tế, giới hạn dải tần số anten chọn cho chấn tử cộng hưởng bước sóng cực đại chưa phải chấn tử dài mà chấn tử dài đứng sau nó; chấn tử cộng hưởng bước sóng cực tiểu chưa phải chấn tử ngắn mà trước vài chấn tử ngắn Vì anten loga – chu kỳ gồm chấn tử song song nhau, mà chấn tử có mặt phẳng E mặt phẳng chứa trục chấn tử, mặt phẳng H mặt phẳng vng góc trục chấn tử nên mặt phẳng E anten yOz mặt phẳng H xOy Hình 2.2 Do hướng tính chấn tử hợp thành anten vơ hướng mặt phẳng H có hướng tính mặt phẳng E nên đồ thị phương hướng anten loga – chu kỳ mặt phẳng H rộng mặt phẳng E Để tăng hướng tính anten mặt phẳng H, cần mở rộng kích thước anten mặt phẳng Điều thực thiết lập anten góc, nghĩa đường fide phấn phối có cấu tạo nhánh khơng song song mà hợp thành góc, cho chấn tử nối với nhánh đường fide nằm mặt phẳng khác (hình 2.3) 11 Hình 2.3 Anten loga – chu kỳ, ngồi loại chấn tử có kết cấu dây dẫn thẳng thực theo số cách khác kết cấu chấn tử có dạng tùy ý: khung dây dẫn hình thang tam giác, phiến kim loại,… Đặc tính xạ anten loại khác so với anten mà chấn tử làm hàng dây dẫn thẳng.(hình 2.4) (a) (b) (c) Hình 2.4 III TÍNH TỐN ANTEN LOGA – CHU KỲ Đặc điểm kết cấu anten phương pháp tính tốn Để đảm bảo đồ thị phương hướng anten mặt phẳng đứng không biến đổi thay đổi tần số cộng tác, anten đặt nghiêng góc ∆ so với mặt đất, cho độ cao tương đối phần tử so với mặt đất đại lượng không đổi (3-1) 12 Khi ấy, độ cao tương đối miền xạ tác dụng (miền di chuyển dọc theo anten biến đổi tần số công tác) không đổi hướng xạ cực đại mặt phẳng đứng không thay đổi Sơ đồ anten loga – chu kỳ đặt nghiêng mặt tiếp điện đường dây song hành mắc chéo vẽ hình 3.1a (b) (a) Hình 3.1 Kết cấu anten loga – chu kỳ tiếp điện đường dây đồng trục, không dùng biến đổi đối xứng vẽ hình 3.2 Hình 3.2 Để tính tốn anten loga – chu kỳ ta áp dụng phương pháp giải hệ phương trình Kirchhoff hệ thống chấn tử song song, tiếp điện đường fide chung 13 (giữa hai chấn tử đoạn fide song hành mắc chéo), độ dài chấn tử có giá trị khác Nếu coi đoạn dây truyền song mắc hai chấn tử tương đương với mạng bốn cực, chấn tử tương đương với trở kháng có giá trị tổng trở vào chấn tử (khi có kể đến ảnh hưởng tương hỗ với phần tử hệ thống), ta có sơ đồ tương đương anten loga – chu kỳ vẽ hình 3.3 (a) (b) ( (c) Hình 3.3 (a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Sơ đồ tương đương Theo hình ta có quan hệ điện áp cửa tầng: + Tầng I: + Tầng II: 14 (3-2) + Tầng N: Ký hiệu dòng điện điện áp cửa vào cửa tầng thứ n, điện áp cửa tầng Ta có phương trình mạch điện với mạng cực thứ n viết sau: (3-3) đó: dẫn nạp vào đoạn dây truyền sóng đầu nối tắt dẫn nạp truyền đạt đoạn dây truyền sóng đầu nối tắt Áp dụng (3-3) ta viết phương trình mạch điện tầng: Tầng I: Tầng II: (3-4) Tầng N: Tại nút, ta có phương trình Kirchhoff dòng điện: (3-5) 15 Sau xác định dòng điện chấn tử (theo công thức (3-4) (3-5), ta có tể đưa anten loga – chu kỳ mơ hình đơn giản gồm chấn tử có độ dài thay đổi đặt song song cách khoảng cách đinh dọc theo trục z vị trí có tọa độ hình 3.4: Hình 3.4 Mỗi chấn tử tiếp điện nguồn điện riêng biệt có sức điện động Các kích thước tọa độ xác định cho trước chu kỳ góc mở Hệ phương trình Kirchoff hệ thống N chấn tử ghép có tính ảnh hưởng tương hỗ phần tử viết dạng: (3-6) Các bước tính tốn thuận mơ hình anten loga – chu kỳ: 16 Bước 1: Thay (3-4), (3-5) vào (3-6) nhận hệ N phương trình Giải hệ phương trình vừa tìm nhận N nghiệm Thay nghiệm vào (3-6) (3-7) xác định dòng điện chấn tử Bước 2: Tính hàm phương hướng anten hai mặt phẳng E H Anten loga – chu kỳ hệ thống xạ N chấn tử Hàm phương hướng xạ hệ thống N phần tử: (3-7) hàm phương hướng xạ chấn tử hàm phương hướng xạ tổ hợp N phần tử (3-8) với d khoảng cách chấn tử liên tiếp tính cơng thứ (1-15) nên ta có Trong mặt phẳng H: (3-9) Trong mặt phẳng E: (3-10) Ở góc hợp hướng khảo sát trục z mặt phẳng E H Cách mắc chéo nên dòng điện hai chấn tử liên tiếp cần phải có dấu ngược số hạng đưa vào cơng thức để hiệu chỉnh dấu dòng điện Bước 3: Biết dòng điện điện áp xác định tổng trở vào chấn tử (3-11) 17 Tổng trở vào anten (3-12) Bài toán xác định thông số tối ưu anten loga – chu kỳ giải cách lặp lại nhiều lần bước (khi biến đổi thơng số hình học anten) đến chừng đạt tiêu chất lượng tốt Hệ số định hướng anten tính: (3-13) Trong đó, độ rộng góc nửa cơng suất mặt phẳng E mặt phẳng H IV ỨNG DỤNG CỦA ANTEN LOGA – CHU KỲ *Mở rộng dải tần antenx Nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng mà ứng với tần số khác phổ biên độ dòng điện đặt vào anten (nếu anten phát) sức điện động thu (nếu anten thu) biến đổi theo, làm thay đổi dạng phổ tín hiệu Khi có tín hiệu phổ rộng truyền qua fide ứng với tần số khác phổ tạp trễ pha khác gây méo pha tín hiệu Vì tốt anten phải đảm bảo dải tần làm việc số Có nhiều trường hợp đòi hỏi anten không làm việc tần số mà làm việc số tần số khác Ứng với tần số khác anten phải đảm bảo tiêu kỹ thuật định đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thông tần Dải tần số mà giới hạn anten làm việc với tiêu kỹ thuật cho gọi dải tần công tác anten Chỉ tiêu kỹ thuật khác loại anten cụ thể 18 Tỷ số tần số cực đại cực tiểu dải tần công tác gọi hệ số bao trùm dải sóng Trong đó, dải tần số anten loga chu kỳ đạt với hệ số bao trùm khoảng 10/1 lớn Căn theo dải tần số công tác, anten loga- chu kỳ thuộc loại anten dải tần siêu rộng : * Các ứng dụng khác + Ứng dụng thông tin vi ba + Truyền hình vơ tuyến Truyền hình vơ tuyến Tăng khả thu phát tín hiệu Ứng dụng thơng tin vi ba Truyền hình tiếp xúc Truyền hình vơ tuyến Làm phản xạ cho anten gương 19