Tính toán thiết kế và thi công hệ thống anten phi đơ thu vô tuyến truyền hình theo phương pháp tối ưu hóa hướng tính

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG
------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG
ANTEN PHI ĐƠ THU VƠ TUYẾN TRUYỀN HÌNH
THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HĨA HƯỚNG TÍNH
SVTH : Nguyễn Văn Quang
Nguyễn Thành Cơng
GVHD: Nguyễn Đức Chánh

TP.HỒ CHÍ MINH, 2011


Mục lục

MỤC LỤC
Lời cảm ơn..............................................................................................................i
Mục lục................................................................................................................... ii
Danh mục hình......................................................................................................v
Danh mục bảng....................................................................................................vii
Lời giới thiệu.......................................................................................................viii
Chương 1: CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG ANTEN THU VƠ
TUYẾN TRUYỀN HÌNH......................................................................................1
1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten..........................................................1
1.1.1 Đặc trưng hướng của anten..................................................................1
1.1.2 Đặc trưng phân cực của anten..............................................................4
1.1.3 Công suất phát xạ và hệ số tác dụng định hướng.................................6
1.1.4 Hiệu suất và hệ số khuếch đại..............................................................8

1.2 Yêu cầu cơ bản của truyền sóng cực ngắn.....................................................9
1.2.1 Những yêu cầu cơ bản.........................................................................9
1.2.2 Các dạng kết cấu của anten sóng cực ngắn........................................10
1.3 Lý thuyết awnten thu....................................................................................11
1.3.1 Chấn tử đối xứng làm việc ở chế độ thu.............................................11
1.3.2 Công suất ra trên tải anten thu............................................................14
1.3.3 Đặc điểm làm việc của anten ở chế độ thu.........................................15
Chương 2: PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG
ANTEN PHI ĐƠ THU VƠ TUYẾN TRUYỀN HÌNH VÀ CHỌN PHƯƠNG
ÁN PHÙ HỢP......................................................................................................17
2.1 Giới thiệu anten phát vơ tuyến truyền hình.................................................17
2.1.1 u cầu đối với anten phát vơ tuyến truyền hình...............................17
2.1.2 Cấu tạo...............................................................................................17
2.2 Các anten thu sóng phân cực ngang.............................................................20

ii


Mục lục

2.2.1 Anten dẫn đường (anten kênh sóng)..................................................20
2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của anten..................................20
2.2.1.2 Đặc trưng hướng.......................................................................27
2.2.1.3 Một số dạng kết cấu anten thường gặp.....................................31
2.2.2 Anten logarit......................................................................................33
2.2.2.1 Đặt vấn đề.................................................................................33
2.2.2.2 Phương trình cấu trúc...............................................................33
2.2.2.3 Anten loga khơng tuần hoàn.....................................................34
2.2.2.4 Anten loga tuần hoàn(anten loga chu kỳ).................................35
2.2.3 Anten Ziczắc......................................................................................39

2.2.3.1 Cấu tạo.....................................................................................39
2.2.3.2 Nguyên lý làm việc...................................................................40
2.2.4 Chọn phương án thiết kế....................................................................43
Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ ANTEN KÊNH
SĨNG...................................................................................................................44
3.1 Khái niệm chung............................................................................................44
3.2 Xác định dịng trong các chấn tử..................................................................46
3.2.1 Tính tốn anten khi chưa có thanh phản xạ........................................47
3.2.2 Tính tốn anten khi có thanh phản xạ................................................49
3.3 Tính tốn điện trở của anten........................................................................51
3.3.1 Tính tốn trở riêng của chấn tử..........................................................51
3.3.2 Tính tốn trở liên kết..........................................................................52
3.3.3 Tính tốn trở vào của anten................................................................52
3.4 Tính tốn đặc trưng hướng của anten..........................................................53
3.4.1 Thừa số xác định đặc trưng hướng của chấn tử..................................53
3.4.2 Thừa số của hệ...................................................................................54
3.4.3 Thừa số ảnh hưởng của đất................................................................54
3.4.4 Hệ số tác dụng định hướng................................................................55
3.5 Tính tốn cấp nguồn cho chấn tử phát xạ....................................................55

iii


Mục lục

3.6 Thứ tự tính tốn anten..................................................................................57
Chương 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ANTEN KÊNH SĨNG.........................59
4.1 Tính tốn, thiết kế anten kênh sóng thu đài truyền hình Bình Dương......61
4.1.1 Tính tốn giá trị tối ưu.......................................................................61
4.1.2 Tính tốn đặc trưng hướng của anten.................................................65

4.1.2.1 Tính tốn đặc trưng hướng trong mặt phẳng ngang(E).............65
4.1.2.2 Tính tốn đặc trưng hướng trong mặt phẳng đứng(H)..............67
4.1.3 Tính tốn trở kháng vào của anten.....................................................70
4.1.4 Tính tốn độ dài thanh phản xạ và thanh dẫn xạ................................70
4.1.5 Tính tốn chiều dài chấn tử phát xạ...................................................71
4.1.6 Tính tốn hệ số tác dụng định hướng.................................................71
4.1.7 Tính tốn cấp nguồn cho chấn tử phát xạ...........................................72
4.2 Tính tốn thiết kế anten kênh sóng thu đài truyền hình Đồng Nai............73
4.2.1 Tính tốn giá trị tối ưu.......................................................................73
4.2.2 Tính tốn đặc trưng hướng của anten.................................................78
4.2.2.1 Tính tốn đặc trưng hướng trong mặt phẳng ngang(E).............78
4.2.2.2 Tính tốn đặc trưng hướng trong mặt phẳng đứng(H)..............80
4.2.3 Tính tốn trở kháng vào của anten.....................................................82
4.2.4 Tính tốn độ dài thanh phản xạ và các thanh dẫn xạ..........................82
4.2.5 Tính tốn chiều dài chấn tử phát xạ...................................................83
4.2.6 Tính tốn hệ số tác dụng định hướng.................................................83
4.2.7 Tính tốn cấp nguồn cho chấn tử phát xạ...........................................84
4.3 Xác định kết cấu anten..................................................................................85
4.4 Thi công anten...............................................................................................88
4.4.1 Thi công anten thu đài Bình Dương...................................................88
4.4.2 Thi cơng anten thu đài Đồng Nai.......................................................91
Kết luận và hướng phát triển đề tài...................................................................94
Tài liệu tham khảo...............................................................................................95
Phụ lục

iv


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG ANTEN
THU VƠ TUYẾN TRUYỀN HÌNH
Giới thiệu chương: Chương này trình bày khái quát về các yêu cầu kỹ thuật của hệ
thống anten thu vơ tuyến truyền hình. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản, đặc trưng
hướng, đặc trưng phân cực cũng như hệ số tác dụng định hướng , hiệu suất thu của
anten. Qua chương này chúng ta cũng hiểu sâu hơn về sóng cực ngắn cũng như việc
truyền sóng cực ngắn, các dạng kết cấu của anten sóng cực ngắn. Đồng thời tìm
hiểu về lý thuyết anten thu, nắm được nguyên lý thu sóng của anten tư đó làm cơ sở
cho việc tìm hiểu các dạng anten thu và phát trong chương 2
1.1

Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten

1.1.1 Đặc trưng hướng của anten
Từ lý thuyết trường ta đã biết biên độ phức của cường độ trường của một nguồn
phát xạ sóng điện từ tại một điểm tùy ý trong vùng xa có thể viết dưới dạng sau đây
˙
E=

IA
i [ ( ϕ , φ ) −kr ]
f (θ , φ) . e
r

(1.1)

Trong đó r, θ,φ là tọa độ điểm
quan sát M trong hệ tọa độ cầu
(hình 1.1)
Κ=

2π
λ

Số sóng

f ( θ , φ ) . e iϕ (θ , φ )= f˙ ( θ , φ )

Là một hàm phức phụ thuộc vào
cấu trúc của anten
Φ ( θ , φ ) : Pha của trường

IA: Biên độ dịng tại một điểm nào đó trên anten

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Cơng

1

Hình 1.1


Đồ án tốt nghiệp

 Định nghĩa:
Hàm f ( θ , φ ) ( Tức modun của hàm f˙ ( θ , φ )) xác định sự phụ thuộc của biên độ cường
độ trường của anten tại một điểm nằm trong vùng xa và cách đều anten vào hướng
quan sát được gọi là đặc trưng hướng của anten
Biểu diễn hình học của đặc trưng hướng trong không gian là mặt cong . Trong thực
tế thường gặp các đặc trưng hướng dạng hình xuyến (hình 1.2a), dạng hình kim
(hình 1.2b), dạng hình quạt(hình 1.2c)

a)

b)

c)

Hình 1.2
Trường của anten phát sóng phân cực elip có thể biểu diễn dưới dạng tổng trường
của 2 anten phân cực tuyến tính các vecto điên Eθ ⃗θ và Eφ ⃗φ của 2 anten vng góc
với nhau và lệch pha một góc σ . Do đó với anten phân cực elip ta phải phân biệt đặc
trưng hướng theo thành phần θ và theo thành phần φ tức f θ ( θ , φ ) và f φ ( θ , φ )
Để tiện việc so sánh tính định hướng của các anten khác nhau người ta thường dùng
đặc trưng hướng chuẩn hóa. Đặc trưng hướng chuẩn hóa là tỷ số giá trị của đặc
trưng hướng f ( θ , φ ) theo hướng bất kỳ với giá trị cực đại của nó:
F ( θ , φ )=

f (θ , φ)
f max

(1.2)

 Các phương pháp mô tả
Đặc trưng hướng không gian ( biểu diễn không gian của hàm f ( θ , φ )không tiện lợi
cho việc mô tả đặc trưng hướng của anten vì thế người ta thường dùng phương pháp

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công

2

Đồ án tốt nghiệp

mô tả đặc trưng hướng trên 2 mặt phẳng vng góc với nhau và chứa hướng phát xạ
cực đại :
Mặt phẳng kinh tuyến( còn gọi là mặt phẳng E) là mặt phẳng chứa vecto E
Mặt phẳng xích đạo ( còn gọi là mặt phẳng H) là mặt phẳng chứa vecto H
Có thể biểu diễn đặc trưng hướng phẳng (hay giản đồ hướng) trong tọa độ cực hình
1.3 hoặc tọa dộ decac hình 1.4. Đặc trưng hướng vẽ trong tọa độ cực cho ta thấy
được tính định hướng của anten một cách trực quan. Còn đặc trưng hướng trong tọa
dộ decac thì có thể biểu diễn chính xác hơn
Thơng thường đặc trưng hướng có một số cực đại, gọi là đặc trưng hướng có nhiều
cánh sóng hình 1.3 và hình 1.4.
Cánh có hướng phát xạ cực đại lớn nhất gọi là cánh chính(cánh 1 hình 1.3).Các
cánh cịn lại là cánh bên(cánh 2 hình 1.3) hoặc cánh sau( cánh 3 hình 1.3)

FE(θ ¿

( 2 θ0,707 ) E
( 2 θ0,5 ) P

FP(θ ¿

Hình 1.3

Hình 1.4

Ngồi đặc trưng hướng tính theo cường độ trường F E ( θ , φ ) người ta cịn dụng đặc
trưng hướng tính theo cơng suất F P ( θ , φ )(đường chấm hình 1.4)
F P ( θ , φ ) = F 2E ( θ , φ )

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công

(1.3)

3


Đồ án tốt nghiệp

Độ định hướng của anten tính bằng độ rộng cách sóng chính theo mức nửa cơng
suất (2θ0,5 P) hoặc theo mức 0,707 theo trường ( 2 θ0,707 E ) [xem hình 1.4]
1.1.2 Đăc trưng phân cực của anten
Trường của anten ở vùng xa không chỉ đặc trưng bởi biên độ và pha mà cả sự phân
cực nữa. Nghĩa là đặc trưng sự biến đổi hướng của vecto cường độ trường theo thời
gian Mặt phẳng phân cực là mặt phẳng chứa phương truyền và vecto cường độ điện
trường. Sự phân cực của trường được xác định bởi loại anten và vị trí của nó trong
khơng gian. Trường của một anten dây thẳng là trường phân cực tuyến tính tức là ở
mọi thời điểm, tại điểm khảo sát vecto cường độ điện trường định hướng dọc một
đường thẳng. Chấn tử thẳng đứng bức xạ sóng phân cực đứng ( sóng có vecto điện
nằm trong mặt phẳng đứng), chấn tử ngang bức xạ sóng phân cực ngang (sóng có
vecto điện nằm trong mặt phẳng ngang)

r0+ λ
r0+ λ /2

r0

r0+ λ /2
r0+ λ

Hình 1.5

Trường hợp tổng qt trường có phân cực elip. Trường phân cực elip là tổng 2
trường phân cực tuyến tính có các vecto điện Eθ và Eφ vng góc với nhau và lệch
pha nhau một góc δ nào đó. Có nghĩa là đầu mút vecto tổng vẽ nên trong khơng
gian một hình elip sau một chu kỳ dao động. Khi sóng truyền trong khơng gian tự
do thì elip này nằm trong mặt phẳng vng góc với phương truyền ( hình 1.6)
Dưới đây ta sẽ chứng minh điều đó. Giả sử cho trước giá trị tức thời của cường độ
điện trường
Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công

4


Đồ án tốt nghiệp

e φ =Eφ .sin ωt
e θ=Eθ . sin ( ωt−δ ) (1.4)

Từ 1.5 ta có:
sin ωt=

eφ
(1.5)
Eφ

Thay 1.6 vào 1.5 ta có

Hình 1.6

√

2

eθ e φ
e
= cos δ − 1− φ sin δ(1.6)
Eθ E φ
Eφ

Chuyển thừa số

( )

eφ
cos δ của biểu thức 1.6 sang vế trái sau đó bình phương 2 vế ta
Eφ

nhận được
2

eφ
e
−2 φ
Eφ
Eφ

2

eθ
e
2
cos δ + θ =sin δ(1.7)
Eθ
Eθ

( ) ( )( ) ( )

Biểu thức 1.8 là phương trình tổng quát của elip. Tùy theo giá trị của δ , E θ , Eφ dạng
của elip phân cực và vị trí của nó trong khơng gian có thể khác nhau , chẳng hạn:
 Khi δ =nπ (n số ngun) trường có phân cực tuyến tính
π

 Khi δ=(2 n+1) 2 và Eθ =Eφ trường có phân cực trịn
Để đánh giá tính phân cực ta đưa vào khái niệm hệ số phân cực và đặc trưng phân
cực. Hệ số phân cực: Tỷ số giữa bán trục nhỏ với bán trục lớn của elip gọi là hệ số
phân cực và ký hiệu là P
Đặc trưng phân cực: Sự phụ thuộc của hệ số phân cực vào hướng tới điểm quan sát
P(θ , φ ) gọi là đặc trưng hướng phân cực của anten

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công

5


Đồ án tốt nghiệp

Bằng tính tốn ta có hệ số phân cực của trường
2

√
√

√

1+m 2− ( 1−m 2 ) +4 m 2 cos 2 δ
b
P= =
( 1.8 )
2
2 2
2
2
a
(
)
1+m + 1−m +4 m cos δ

Ở đây m=

Eφ
Eθ

Từ đây ta thấy khi trường phân cực tuyến tính ( δ=nπ ) thì P=0. Khi

(

trường phân cực tròn δ= (2 n+1 )

π
và m=1 thì P=1. Trong trường hợp tổng quát
2

)

01.1.3 Công suất phát xạ và hệ số tác dụng định hướng
Để so sánh giữa các anten định hướng người ta dùng 1 tham số gọi là hệ số tác dụng
định hướng của anten. Hệ số tác dụng định hướng ký hiệu là D chỉ rõ phải tăng
công suất phát xạ của anten khi thay anten định hướng bằng anten bức xạ vô hướng
lên bao nhiêu lần để vẩn giữ được giá trị cường độ trường tại điểm thu không đổi
( hình 1.7)
D=

Pbxvh E vh=E dh
(1.9)
Pbxdh r=const

{

Evh

θ=0

M

Edh

θ=0

Hình 1.7
Cũng có thể gọi hệ số tác dụng định hướng là độ tăng hữu ích về cơng suất phát xạ
do tính định hướng của anten

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công

6


Đồ án tốt nghiệp

Bây giờ chúng ta tìm biểu thức lien hệ giữa hệ số tác dụng định hướng với đặc
trưng hướng theo 1.1 ta có
Edh=

ΙA
f ( 0 , φ ) ¿10)
r

Mật độ dịng cơng suất (giá trị theo vecto poantinh) theo hướng đó là:
Π ( θ , φ )=

E dh
(1.11)
240 π

Công suất phát xạ của anten định hướng trong tồn khơng gian
Pbxvh =∮ Π ( θ , φ ) . ds

Vì trong hệ tọa độ cầu, vi phân diện tích ds=r 2 sinθ . dθ . dφ và chú ý (1.10) và (1.11)
ta có:
Pbxvh =

IA

2π π

2

2
f ( θ , φ ) sin θ . dθ . dφ ( 1.12 )
∫
∫
240 π
0 0

Đối với anten bức xạ vô hướng
Evh2
.4 π r 2
240 π

Pbxvh

Với điều kiện Eđh=Evh thì
2

2

I A . f (θ , φ)

Pbxvh =
( 1.13 )
60

Thay 1.13 và 1.14 vào 1.10 ta có:
D ( θ , φ )= 2 π

2
4 π . f (θ , φ )
π

∫∫ f
0

2

( 1.14 )

( θ , φ ) sin θ . dθ . dφ

0

Chia tử và mẩu của vế phải cho f 2max ( θ , φ ) ta có
D ( θ , φ )= 2 π

2
4 π . F (θ ,φ )
π

∫∫ F

0

2

( θ , φ ) sin θ . dθ . dφ

0

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công

7

( 1.15 )


Đồ án tốt nghiệp

Biểu thức 1.15 chỉ sự liên hệ giữa hệ số tác dụng định hướng D với đặc trưng hướng
mà ta cần tìm. Từ biểu thức ta thấy: Hệ số tác dụng định hướng của anten chỉ phụ
thuộc vào đặc trưng hướng của nó và có giá trị cực đại theo hướng phát xạ cực đại
(Fmax=1)
D max = 2 π

4π

(1.16 )

π

∫∫ F

2

(θ ,φ ) sin θ . dθ . dφ

0 0

Khi đó hệ số tác dụng định hướng của anten theo hướng bất kỳ có thể xác định theo
công thức
D ( θ , φ )=D max . F 2 (1.17)

Nếu đặc trưng hướng của anten có tính chất đối xứng trục tức là không phụ thuộc
tọa độ φ thì từ (1.17) ta có
2

D max = π

∫F

2

(1.18)

(θ ) sinθ . dθ

0

Gần đúng Dmax được xác định
Dmax =

35.000 ÷ 45.000
(1.19)
0
0
( 2θ 0,5 ) E ( 2θ 0,5 ) H

Trong đó ( 2 θ0,5 ) E , H độ rộng cánh sóng chính tính theo mức 1/2 cơng suất tính bằng
độ rộng trong 2 mặt phẳng chính
Hiện nay người ta đã làm được các anten có D max=106 ÷ 107 các chấn tử nguyên tố có
Dmax=1,5
1.1.4 Hiệu suất và hệ số khuếch đại
Phần lớn công suất đưa vào anten được bức xạ ra không gian và tạo nên cường độ
trường xác định trong vùng xa. Nhưng có một phần cơng suất tiêu hao( chủ yếu

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công

8


Đồ án tốt nghiệp

dưới dạng nhiệt) ngay trên anten và ở các vật xung quanh mức độ công suất đưa vào
anten được đánh giá bằng hiệu suất của anten
 Định nghĩa:
Hiệu suất η A của anten là tỷ số công suất do anten bức xạ( cơng suất hữu ích) P bx và
công suất đưa vào anten PA ( gồm công suất bức xạ và công suất tiêu hao Pth).
ηA=

P bx
( 1.20 )

Pbx + Pth

Để đánh giá mức tăng hữu ích cơng suất do tính định hướng và chú ý tới sự tiêu hao
trên anten người ta đưa ra khái niệm hệ số khuếch đại G của anten
 Định nghĩa
Hệ số khuếch đại G là tỷ số giữa công suất bức xạ của anten vô hướng P bxvh và công
suất đưa vào anten định hướng P Adh với điều kiện các anten cùng cho một giá trị
cường độ trường tại điểm quan sát
G=

G=

Pbxvh
khir =const ; Eđh=E vh (1.21 )
P Adh

Pbxvh Pbxdh P bxvh P bxdh
.
=
.
=D η A ( 1.22 )
P Adh Pbxdh Pbxdh P Adh

Như vậy hệ số khuếch đại luôn luôn nhỏ hơn hệ số tác dụng định hướng. Nhận xét:
Hệ số khuếch đại đặc trưng cho sự tăng hữu ích về công suất đầy đủ hơn hệ số tác
dụng định hướng vì nó đánh giá cả tính định hướng lẫn khả năng biến đổi(tức biến
đổi năng lượng dòng cao tần thành năng lượng sóng điện từ bức xạ) của anten
1.2 Yêu cầu cơ bản của truyền sóng cực ngắn
1.2.1 Những yêu cầu cơ bản
Dải sóng cực ngắn được sử dụng rộng rãi để thực hiện liên lạc vô tuyến và vô tuyến

tiếp sức

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công

9


Đồ án tốt nghiệp

Phương thức liên lạc của nó thường là truyền trực tiếp hoặc khúc xạ sóng từ tầng
đối lưu, tán xạ sóng từ các miền bất đồng nhất của tầng. Nó được sử dụng trong lĩnh
vực truyền hình, truyền thanh và các lĩnh vực khác
Thực hiện liên lạc ở dạng kể trên trong trường hợp tổng quát, anten cần phải có các
yêu cầu cơ bản là nâng lên ở độ cao lớn, có hệ số khuếch đại cao và bảo đảm làm
việc ở dải tần rộng, cũng như có độ bền vững cơ khí lớn , mặt hứng gió nhỏ và phối
hợp tốt với phido
Việc lựa chọn phân cực trong dải sóng này phụ thuộc vào dạng đường truyền và
điều kiện truyền sóng. Thí dụ như để liên lạc với sóng đất khi mà anten đặt gần sát
với mặt đất thì tốt hơn là sử dụng sóng phân cực đứng vì so với sóng phân cực
ngang nó có mức suy giảm nhỏ hơn nhiều. Khi liên lạc trong vùng có dân cư ở đó
có mức nhiễu cơng nghiệp cao đối với sóng phân cực đứng lúc đó thường sử dụng
sóng phân cực ngang. Loại sóng này cũng dùng để liên lạc trong rừng bởi vì chúng
suy giảm nhỏ hơn với những than cây đứng
Thông tin với những đối tượng đặt cao( với máy bay) thì tốt hơn là dùng anten có
phân cực đứng do các cực tiểu giao thoa của nó biểu hiện yếu hơn so với sóng phân
cực ngang nên bớt được sự pha đinh tín hiệu xảy ra trong khi bay
1.2.2 Các dạng kết cấu của anten sóng cực ngắn
Các anten đều dựa trên 2 kết cấu cơ bản, đó là anten dây và anten dạng mặt. Ngày
nay trong những anten hiện đại ở dải sóng cực ngắn (băng sóng cm hoặc thấp hơn)
người ta sử dụng kết cấu mới đó là anten sóng mặt.

Các anten thuộc dải sóng met và decimet tiện lơi hơn cả là dùng kết cấu kiểu anten
dây. Anten dây là những anten có nguyên lý hoặt động dựa theo nguyên lý đường
dây dài. Các quy luật phân bố dòng điện và điện áp, trở vào và công suất bức xạ của
anten đều có thể dựa vào những phương trình đã biết của đường dây để tính tốn
Tuy nhiên do sự khác nhau cơ bản giữa anten dây là phần tử bức xạ năng lượng, còn
đường dây dài dùng để truyền dẫn năng lượng nên các tham số của chúng khác

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công 10


Đồ án tốt nghiệp

nhau. Ở dải sóng met và deximet các loại anten dây thường dùng là anten dẫn
hướng, anten loga chu kỳ, anten zic zac, anten xoắn. Trong dải sóng này việc sử
dụng anten dây có ưu điểm cơ bản là kích thước anten khơng lớn lắm ( do bước
sóng nhỏ) có độ bền vững về mặt cơ khí cao và có thể làm việc tốt trong dải tần
rộng
Khi liên lạc ở dải sóng cao hơn ( ứng với tần số lớn hơn 100Mhz) thì yêu cầu cao
nhất đối với anten là sự định hướng. Sự định hướng cao của anten ngoài việc tăng
năng lượng và dẫn đến giảm mức độ của nhiễu lên máy thu nó cịn đảm bảo sự bí
mật liên lạc. Hoặt động của các đài theo phương thức tán xạ sóng từ tầng đối lưu và
liên lạc vệ tinh về nguyên lý không thể không áp dụng những anten có tính định
hướng nhọn. Anten thu khơng những cần phải có tính định hướng cao để đảm bảo
tuyến anten phi đơ có mức tạp âm riêng thấp mà cịn cần phải có hiệu suất và hệ số
khuếch đại cao. Để liên lạc thong thường sử dụng anten với đặc trưng hướng hình
kim, có độ rộng cánh sóng chính ở cả 2 mặt phẳng E và H gần bằng nhau
Về nguyên lý mức độ định hướng cao và việc tạo dạng đặc trưng hướng cần thiết có
thể làm được bằng cách áp dụng mạng anten có cấu tạo từ số lớn những phần tử
được định pha theo quy luật tương ứng( thí dụ hệ các chấn tử). Tuy nhiên việc đảm
bảo độ rộng cánh sóng chính cỡ một vài độ và hệ số khuếch đại cỡ vài nghìn thì yêu

cầu số phần tử rất lớn( hàng ngàn, hang chục ngàn) điều này hết sức phức tạp trong
việc cấp điện cho chúng
Việc ghép này cũng rất khó khăn với yêu cầu công nghệ chặt chẽ trong việc cách
điện, sắp đặt và sự chính xác của việc định pha với số lớn những phần tử như
vậy.Sự khó khăn này ở trong dải sóng centimet và ngắn hơn cũng như ở dải cuối
của decimet sẽ được giải quyết khi sử dụng các anten có cấu trúc đơn giản hơn, hệ
thống cấp nguồn và kích thích cơ bản là dựa trên nguyên lý khác để tạo ra đặc trưng
hướng theo yêu cầu. Đó chính là các anten dạng mặt mở sử dụng các phương pháp
bức xạ hội tụ như trong âm thanh học và quang học. Những anten phản xạ (anten

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công 11


Đồ án tốt nghiệp

gương), anten loa, thấu kính và loại khác có nguyên lý hoặt động theo kiểu anten
mặt mở
1.3 Lý thuyết anten thu
1.3.1 Chấn tử đối xứng làm việc ở chế độ thu
Giả sử có chấn tử đối xứng dài 2l, bán kính a<< λ . Sóng tới làm với trục chấn tử một
góc θ (hình 1.8)
Thành phần điện trường tiếp tuyến với mặt chấn tử tại điểm bất kỳ có tọa độ x được
tính

Hình 1.8
ikx cos θ

E x =E0 sin θ . e

(1.23)

Trong đó E0 biên độ sóng tới
E0sin θ = Ett Biên độ thành phần tiếp tuyến
Bài toán đặt ra là cần phải xác định sức điện động cảm ứng và dòng trên anten thu
Để xác định sức điện động của cảm ứng ta dựa vào nguyên lý tương hỗ


Nội dung nguyên lý như sau

Giả sử có một mạng bốn cực (hình 1.9) nếu đặt ở đầu vào 1-1 một sức điệnđộng e 1
thì đầu 2 có dòng i2 Ngược lại nếu đặt ở đầu vào 2-2 một sức điên động e 2 thì đầu 1
sẽ có dịng i1, ta có quan hệ:

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Cơng 12


Đồ án tốt nghiệp

e1 e 2
= (1.24)
i2 i1

Hình 1.9
Ta coi chấn tử như một mạng 4 cực mà các cặp cực là đầu vào của chấn tử và điểm
đang khảo sát (hình 1.10)
dx=dlx

dx=Ix

dl 0

I0

Hình 1.10
Khi đặt chân tử vào trường sóng tới nào đó thì trên phần tử dx sẽ suất hiện một sức
điện động

dex= Ex.dx

(1.25)

Sức điện động này gây ra ở đầu vào chấn tử 1 một dòng I 0. Ngược lại tác động vào
đầu vào một sức điện động de0 thì ở trên phần tử dx sẽ có dịng Ix. Theo hình 1.9 ta
có
de x de0
Ix
=
Suy ra d e0= de x (1.26)
I0
Ix
I0

Thay 1.25 vào 1.26 ta có:
de 0=

Ix
de =f ( x ) E x dx
I0 x

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công 13

Đồ án tốt nghiệp

x=l

Vậy

e 0=

∫

E x f ( x ) . dx (1.27)

x=−l

Trong đó f ( x )=

Ix
Bi ể u t h ị p h â nb ố d ò ng tr ê n c h ấ nt ử v à g ọ i l à h à m p h â nb ố
I0

Nếu đầu vào của anten thu mắc Zt(tải là máy thu) thì sơ đồ tương đương của anten
có dạng như hình 1.11. Dịng I0 lúc đó là (Zv trở vào anten)
l

∫ E x f ( x ) dx
e0
I 0=
= −l

(1.28 a)
Zv + Zt
Z v +Z t
Để xác định sức điện động cảm ứng đầu vào anten phải biết Ex và f(x) . Đối với
anten thu f(x) là phân bố dòng ở chế độ phát. Nghĩa là
f ( x )=

I x sin [ k ( l−|x|) ]
( 1.28 b )
=
I0
sin kl

Thay Ex [biểu thức 1.23 và f(x) biểu thức 1.28b] vào 1.27 và
tính tốn tích phân ta nhận được:

Hình 1.11
e 0=−E 0

λ 1−cos kl cos ( klcos θ )−cos kl
.
(1.29)
π sin kl
( 1−cos kl ) sinθ

Trong công thức 1.29
F ( θ )=
l hd =

cos ( kl cos θ ) −cos kl

Hàm đ ặ c tr ư ng chu ẩ n hóa antenthu
(1−cos kl ) sin θ

λ 1−cos kl
Chi ề u dàihi ệ u d ụ ng c ủ a anten
π sin kl

Vậy 1.29 được viết lại:
e 0=E 0 . l hd . F ( θ ) (1.30)

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công 14


Đồ án tốt nghiệp

Biểu thức 1.30 cho thấy sức điện động cảm ứng ở đầu vào chấn tử phụ thuộc vào
hướng sóng tới giống như đặc trưng hướng của chấn tử làm việc ở chế độ phát ,
chiều dài hiệu dụng và biên độ trường sóng tới
Đối với chiều dài hiệu dụng của anten thu hoàn toàn giống chiều dài hiệu dụng của
anten làm việc chế độ phát. Mở rộng ra có thể chứng minh cho mọi tham số của
anten làm việc ở chế độ thu và phát là như nhau.
1.3.2 Công suất ra trên tải anten thu
Để đơn giản ta xét anten thu là chấn tử. Trên cơ sở của sơ đồ tương đương và chú ý
Zv= Rv + iXv ; Zt= Rt +iXt ta có thể tính được công suất lấy ra trên tải anten thu là
¿

2

2

¿

I0I 0
E 0 . E 0 λ Rt
[ cos ( kl cos θ ) −cos kl ] ( 1.31 )
P 0=
R t= 2
.
2
2
2
2
2
sin kl . sin θ
2 π [ ( R v + Rt ) + ( X v + X t ) ]

Điều kiện để P0 cực đại là Xv=-Xt ; Rv=Rt
¿

Khi đó P max=

2

2

E0 . E 0 λ [ cos ( kl cos θ )−cos kl ]
8 π 2 R v . sin 2 kl .sin 2 θ

(1.32)

Sóng đến theo hướng θ=90 thì
Pmax =
¿

E 0 . E¿ 0 λ2 (1−cos kl )2
2

2

8 π R v . sin kl

e 20
=
(1.33)
8 Rv

¿

I 0 , E 0 P hứ c li ê n h ợ p c ủ a I 0 , E0
Theo đ ị nh nghĩa hi ệ u su ấ t η A =

Zt
(1.34)
Z v+ Z t

Khi anten và tải phối hợp tức Zv=Zt thì thay vào 1.34 ta có hiệu suất η A =0,5 như
vậy anten thu khơng có hiệu suất cao được
Để đặc trưng cho khả năng thu nhận năng lương sóng tới đối với các anten dạng mặt
ta đưa ra khái niệm diện tích hiệu dụng (Shd), nó được xác định
2

Shd =

λ
. D .η A (1.35)
4π

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công 15


Đồ án tốt nghiệp

1.3.3 Đặc điểm làm việc của anten ở chế độ thu
 Yêu cầu chung đối với anten thu
Anten thu phải bảo đảm Uth>Ucn (Uth: Biên độ tín hiệu, Ucn:Biên độ cản nhiễu)
Khi chọn và chế tạo anten thu cần chọn anten có dạng đặc trưng hướng đặc biệt, có
khả năng điều khiển đặc trưng hướng
Dải tần cơng tác đủ rộng
Do dòng và điện áp trên anten thu rất nhỏ cho nên có thể giảm yêu cầu về kết cấu.
Nhiều yêu cầu quan trọng ở anten phát như độ bền vững điện của đường dây, cách
điện đối với anten thu trở nên khơng có ý nghĩa
Trong số trường hợp khơng cần hiệu suất cao vì nó khơng có tác dụng làm tăng tỷ
số tín hiệu trên tạp âm (S/N)
 Can nhiễu và tạp âm
Thực tế xung quanh anten thu bên cạnh trường của tín hiệu cịn có đủ loại can nhiễu
tác dụng vào. Như đã giới thiệu ở phần truyền sóng vơ tuyến điện, can nhiễu gồm
Nhiễu khí quyển: Do sự bức xạ của các điện tích trong khí quyển
Nhiễu vũ trụ: Do bức xạ của các nguồn vơ tuyến điện nằm ngồi giới hạn khí quyển
trái đất
Tạp âm do bức xạ nhiệt của môi trường xung quanh và mặt dất

Do tổn hao nhiệt trên dây, cách điện của anten phi đơ nên gây ra tạp âm phụ
Tạp âm do thăng dáng điện tử đầu vào máy thu , đèn và dụng cụ điện tử đó là tạp
âm nội bộ của máy thu
Ngồi ra cịn có nhiễu nhân tạo: do các đài phát xung quanh có tần số nằm trong dải
tần công tác của máy thu
Đặc điểm quan trọng của can nhiễu và tạp âm là tính chất ngẫu nhiên của nó. Để
biểu diễn người ta thường dùng khái niệm về lý thuyết tạp âm thăng giáng

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công 16


Đồ án tốt nghiệp

Để xác định tác dụng của can nhiễu có thể kể đến tính chất ngẩu nghiên của nó, ta
thường dùng khái niệm tạp âm tương đương
U ta =4 kTR Δ ; k=1.38 .
Pta =

10

−23

jun

do

(1.36)

U ta
=kT Δ (1.37 )

4R

Tổng kết chương 1: Qua chương này chũng ta đã hiểu khá rõ về các chỉ tiêu kỹ
thuật cơ bản của anten, sóng cực ngắn , cách truyền sóng cực ngắn. Hiểu được các
nguyên lý của anten thu, chấn tử đố xứng làm việc ở chế độ thu, công suất trên tải
anten thu từ đó làm cơ sở cho việc tìm hiểu anten thu trong chương 2

Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công 17


Đồ án tốt nghiệp

Chương 2: PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG
ANTEN PHI ĐƠ THU VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH VÀ CHỌN
PHƯƠNG ÁN PHÙ HỢP
Giới thiệu chương: Chương này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu các dạng anten, phân
tích ngun lý thu và phát anten. Từ đó tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoặt động của
anten phát vơ tuyến truyền hình, các loại anten thu sóng phân cực ngang như anten
kênh sóng, anten loga chu kỳ, anten ziczắc. Từ các ưu và nhược điểm của các loại
anten chúng ta sẽ chọn phương án thiết kế phù hợp để thu sóng vơ tuyến truyền hình
2.1 Giới thiệu anten phát vơ tuyến truyền hình
2.1.1 u cầu đối với anten phát vơ tuyến truyền hình
1. Bức xạ đồng đều về mọi phía trong mặt phẳng nằm ngang nhằm phục vụ bình
đẳng với mọi người.
2. Bức xạ định hướng trong mặt phẳng thẳng đứng nhằm tập trung năng lượng cho
phương nằm ngang.
3. Phát sóng phân cực ngang sẽ ít bị can nhiễu.
4. Dải tần công tác phải rộng nhằm để truyền đi nhiều kênh truyền hình cùng một
anten mà khơng cần gì thêm.
2.1.2 Cấu tạo

Anten gồm nhiều tầng, mỗi tầng là một cặp chấn tử đặt vng góc với nhau và tiếp
điện vuông pha với nhau. Các chấn tử trong mặt phẳng thẳng đứng được nuôi đồng
λ
pha. Khoảng cách giữa hai tầng là 2

, số tầng là chẵn.Dạng khái quát được mơ tả

trên (hình 2.1a) và dạng thực tế như đài tiếp phát đặt trên đỉnh tam đảo gồm 16 tầng,
mỗi tầng gồm hai cặp chấn tử đặt vng góc với nhau và từng cặp cũng được cấp
nguồn vuông pha nhau (hình 2.1b).

Nguyễn Văn Quang- Nguyễn Thành cơng

17


Đồ án tốt nghiệp

Hình 2.1
Hai mặt phẳng đối diện nhau (A và A’) được cấp nguồn đồng pha như vậy nó tương
đương như 16 chấn tử nằm ngang và tương tự trong hai mặt phẳng (B và B’) cũng
có 16 chấn tử nằm ngang và trong khơng gian thì cặp này (cùng trong một mặt
phẳng ngang) sẽ vng góc với nhau. Người ta sẽ cấp những cặp này có nguồn
vng pha nhau.
Như vậy theo bài “bức xạ của lưỡng cực điện (hoặc từ) đặt vng góc với nhau” của
“giáo trình lý thuyết anten” thì trường bức xạ của hệ trong mặt phảng ngang là bức
xạ đồng đều về mọi phía, số chấn tử trong mặt phẳng đứng được cấp nguồn đồng
pha do vậy nếu số tầng càng nhiều thì tính định hướng D của hệ anten càng lớn.
Để đảm bảo cấp nguồn vuông pha giữa hai chấn tử đặt vuông góc nhau trong một

tầng thì:

l −l = 4λ
2

1

( hình 2.2).

Để đảm bảo nuôi đồng pha giữa các chấn tử trong cùng một mặt phẳng đứng thì phi
đơ phải bắt chéo từ tầng này sang tầng khác (hình 2.2).

Nguyễn Văn Quang- Nguyễn Thành công

18


Đồ án tốt nghiệp

Do khoảng cách hai tầng liên tiếp nhau là

λ
2

do vậy theo phương thẳng đứng các

tầng liên tiếp ngược pha nhau và triệt tiêu lẫn nhau do vậy số tầng phải chẵn.

Hình 2.2
Để phối hợp trở kháng (tức cần phải duy trì sóng chạy trên dây phi đơ) ta dung

slâyphơ.
Để mở rộng giải tần ta tăng kích thước ngang của chấn tử và để giảm sức cản của
gió ta làm dưới dạng những ống kim loại đặt song song (hình 2.3a) và trong thực tế
chấn tử có dạng cánh bướm trên hình (2.3b) mơ tả hai anten cánh bướm trong cùng
một tầng và đặt vng góc với nhau.

Hình 2.3

Nguyễn Văn Quang- Nguyễn Thành công

19


Đồ án tốt nghiệp

2.2 Các anten thu sóng phân cực ngang
2.2.1 Anten dẫn đường ( anten kênh sóng)
2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của anten
Anten kênh sóng gồm một số chấn tử song song được cố định trên một giá đỡ
chung. Phụ thuộc vào phướng pháp cấp nguồn người ta chia anten kênh sóng với
chấn tử chủ động hay chấn tử thụ động. Trong trường hợp đầu tiên thì nguồn cấp
cho mọi chấn tử cịn trong trường hợp thứ hai chỉ có một chấn tử được cấp nguồn,
chấn tử ấy được gọi là chấn tử chủ động. Những chấn tử không được cấp nguồn gọi
là chấn tử thụ động.
Anten kênh sóng với những chấn tử thụ động thơng thường gồm một chấn chủ động
A, một thanh phản xạ B và một số thanh dẫn xạ C. Trên hình 2.1 đưa ra antencó hai
thanh dẫn xạ.

Hình 2.4
Trước khi xét đến nguyên lý hoạt động và các đặc trưng của anten dẫn đường,

chúng ta hãy xét những đặc điểm riêng của chấn tử A, B, C.
Chấn tử A: chấn tử chủ động A có thể sử dụng chấn tử đối xứng nửa sóng, chấn tử
nửa sóng cấp nguồn kiểu sun (hình 2.5a) hoặc chấn tử vịng (hình 2.5b).

Nguyễn Văn Quang- Nguyễn Thành công

20