báo cáo bài tập lớn môn anten và truyền sóng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.6 MB, 27 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

Trường Điện – Điện Tử

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚNMôn: Anten và truyền sóng

Nhóm thực hiện: Nhóm 4

Chủ đề: Anten loga chu kỳ (Log periodic antenna)

SV thực hiện:Nguyễn Phương Linh20213763

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Anten loga chu kỳ | Nhóm 4

MỤC LỤC

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ...3

MỞ ĐẦU...4

PHẦN 1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN...5

1.1 Giới thiệu – phân loại Anten loga chu kỳ...5

1.2 Lịch sử anten loga chu kỳ...6

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

Mơ phỏng

Tính tốn thơng số, kích thước theo lý thuyết Nguyễn Phương LinhNguyễn Vũ Hà Linh Sử dụng phần mềm để mô phỏng Dương Minh Trang

Phạm Hải Tuấn

Báo cáo

Mở đầu, phần 1 (Lịch sử phát triển), căn chỉnh báo

Phần 2.1 (Nguyên lý bức xạ) Nguyễn Vũ Hà Linh

Phạm Hải Tuấn

Thuyết trình

Làm PowerPoint

Nguyễn Phương LinhNguyễn Vũ Hà LinhBùi Hoàng An

Page of 328

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

Anten loga chu kỳ | Nhóm 4

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con người ngày càng cao và thật sự cần thiết. Sử dụng các hệ thống phát, thu vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của con người ở các khoảng cách xa một cách nhanh chóng và chính xác.

Bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng anten để phát hoặc thu tín hiệu.Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp rất nhiều các hệ thống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTS dùng cho các mạng điện thoại di động. Hay những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại di động, radio ... cũng đều sử dụng anten.

Việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật anten sẽ giúp ta nắm được các cơ sở lý thuyếtanten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính tốn, phương pháp đo các tham số cơ bản của các loạianten thường dùng.

Để có thể hiểu và hình dung một cách trực quan nhất nhóm em đã được phân cơng tìm hiểuvà trình bày đề tài “ANTEN LOGA CHU KỲ”. Trong bài báo cáo này, nhóm chúng em sẽ trình bày về lịch sử, đặc tính, ngun lý bức xạ, ứng dụng của anten loga chu kỳ cũng như sử dụng phầnmềm ANSYS Electronics Desktop để thiết kế anten loga chu kỳ thỏa mãn các thông số kỹ thuật cho trước. Nội dung cụ thể của báo cáo được chia thành 4 phần lớn, cụ thể:

- Phần 1: Lịch sử phát triển- Phần 2: Nguyên lý bức xạ và đặc tính- Phần 3: Ứng dụng

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

PHẦN 1

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

1.1 Giới thiệu – phân loại Anten loga chu kỳ

Anten loga chu kỳ (còn được gọi là mảng loga chu kỳ hoặc loga chu kỳ trên không) là một ăng-ten băng thông rộng được thiết kế để cung cấp các đặctính điện thay đổi liên tục theo chu kỳ với logarit của tần số hoạt động. Ở anten này, trở kháng và kiểu bức xạ là các yếu tố có hàm logarit của tần số.

Anten loga chu kỳ còn là một ăng-ten định hướng, đa phần tử được thiết kế để hoạt động trên một dải tần số rộng. Phạm vi hoạt động được cung cấp bởi ăng-ten này nằm trong khoảng từ 30 MHz đến 3 GHz .

Có một số dạng anten loga chu kỳ. Loại chính xác phù hợp nhất cho bất kỳ ứng dụng cụ thể nào sẽ phụ thuộc vào yêu cầu. Các loại anten loga chu kỳ chính bao gồm:

- Anten dipole loga chu kỳ, LPDA (hình 1.1 a)

- Anten loga chu kỳ có khe hở (hình 1.1 b)

- Anten loga chu kỳ dạng zig zag (hình 1.1 c)

- Anten loga chu kỳ dạng hình thang (hình 1.1 d)

- Anten loga chu kỳ dạng chữ V (hình 1.1 e)

Loại được sử dụng rộng rãi nhất là anten dipole loga chu kỳ, LPDA do có khả năng phát

sóng và thu sóng trên nhiều tần số mà khơng cần phải điều chỉnh quá nhiều.

(a) (b) (c)

Page of 528

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Anten loga chu kỳ | Nhóm 4

Hình 1.1: Các loại anten loga chu kỳ

1.2 Lịch sử anten loga chu kỳ

- Khi mà các ứng dụng của các thiết bị điện tử với những tiến bộ của cơng nghệ ngày càng phát triển đã địi hỏi phải sử dụng hầu hết các phổ điện tử. Cùng với đó sự ra đời của các băng thơng rộng, việc sử dụng các anten đơn giản, nhỏ, nhẹ và ít chi phí sản xuất, có thể hoạt động trên toàn bộ các dải tần của một hệ thống nhất định sẽ là điều đáng mong đợi nhất. Trước những năm 1950, anten có băng thơng khơng lớn hơn 2:1, vào những năm 1950 đã có một bước đột phá trong quá trình phát triển anten đã được mở rộng băng thơng lên tới 40:1 trở lên. Các anten đó được gọi là anten không phụ thuộc tần số và chúng có dạng hình học được chỉ định bởi các góc.

- Anten loga chu kỳ là một trong những loại anten khơng phụ thuộc vào tần số, cịn được gọilà mảng loga chu kỳ hoặc anten loga chu kỳ, là một anten định hướng, đa thành phần được thiết kế để hoạt động trên một dải tần số rộng.

- Anten loga chu kỳ được phát minh bởi John Dunlavy vào năm 1952 khi làm việc cho Không qn Hoa Kỳ, nhưng khơng được ghi nhận do nó được phân loại vào "Tài liệu mật". Đại học Illinois tại Urbana-Champaign đã cấp bằng sáng chế anten cho Isbell và Mayes-Carrel và cấp phép thiết kế như một gói dành riêng cho JFD Electronics ở New York. Channel Master và Blonder Tongue Labs đã bỏ qua các bằng sáng chế và sản xuất một loạt các anten dựa

trên thiết kế này. Các vụ kiện liên quan đến bằng sáng chế anten mà Quỹ UI đã mất, đã phát triển thành Học thuyết Blonder-Tongue năm 1971. Tiền lệ này chi phối kiện tụng bằng sáng chế.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

PHẦN 2

NGUYÊN LÝ BỨC XẠ VÀ ĐẶC TÍNH

2.1 Nguyên lý bức xạ

- Nguyên lý bức xạ của anten loga chu kỳ dựa trên sự tương tự với nguyên lý điện động học. Nếu thay đổi đồng thời bước sóng cơng tác và kích thước của anten theo một tỷ lệ cố định, các đặc tính của anten như đồ thị phương hướng và trở kháng vào sẽ không thay đổi. Nguyên lý này cho phép thiết kế anten không phụ thuộc vào tần số bằng cách cấu tạo anten với nhiều kích thước khác nhau, tỷ lệ theo một hệ số nhất định.

- Hệ quả của nguyên lý tương tự: dựa vào nguyên lý tương tự có thể thiết lập các anten không phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiều khu vực có kích thước hình học khác nhau. Khi anten làm việc với bước sóng nào đó thì sẽ chỉ có một khu vực của anten tham gia vào quá trình bức xạ. Khu vực này gọi là miền bức xạ của anten. Khi bước sóng cơng tác thay đổi thì miền bức xạ của anten sẽ dịch chuyển đến khu vực mà tỉ lệ kích thước hình học của các phần tử bức xạ với bước sóng như lúc trước.

- Anten được hình thành từ tập hợp các chấn tử có kích thước và khoảng cách khác nhau, tiếp điện từ một đường fide song hành chung, như được minh họa trong Hình 2.1. Các chấn tử nhận dòng từ fide theo cách tiếp điện chéo.

Hình 2.1: Kết cấu của Anten loga chu kỳ

Page of 728

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Anten loga chu kỳ | Nhóm 4

- Kích thước của các chấn tử và khoảng cách giữa chúng biến đổi dần theo một tỉ lệ, tỉ lệ nàyđược gọi là chu kỳ của kết cấu:

- Các chấn tử khác vẫn còn thành phần điện kháng, giá trị điện kháng càng lớn khi độ dài chấn tử này càng xa với chấn tử cộng hưởng, tức là chấn tử này càng xa chấn tử cộng hưởng thì chấn tử cộng hưởng đó được kích thích mạnh nhất.

- Trường bức xạ của anten được quyết định chủ yếu bởi bức xạ của chấn tử cộng hưởng và một số chấn tử lân cận đó. Những chấn tử này tạo nên miền bức xạ của anten. Dòng điện trong các chấn tử của miền bức xạ có được do nhận trực tiếp từ fiđe và do cảm ứng điện trường của chấn tử cộng hưởng.

- Các chấn tử ở phía trước chấn tử cộng hưởng có chiều dài nhỏ hơn, sẽ có dung kháng vào, dòng cảm ứng trong các chấn tử này chậm pha so với dịng trong các chấn tử có độ dài hơn nó. Và ngược lại, các chấn tử ở phía sau chấn tử cộng hưởng có chiều dài lớn hơn, sẽ có cảm kháng vào, dịng cảm ứng trong chấn tử này sớm pha so với dòng trong các chấn tử có độ dài hơn nó. Các chấn tử nhận dòng từ fiđe theo cách tiếp điện chéo nên 2 chấn tử kề nhau có dịng điện lệch pha nhau 1800 cộng với góc lệch pha do truyền sóng trên đoạn fiđe mắc giữa 2 chấn tử đó. Ta nhận được dòng tổng hợp trong các chấn tử của miền bức xạ có góc lệch pha giảm dần theo chiều giảm kích thước anten.

- Các chấn tử có quan hệ pha như trên, nên chấn tử đứng trước chấn tử cộng hưởng sẽ thỏa mãn điều kiện chấn tử dẫn xạ, còn chấn tử đứng sau sẽ thỏa mãn điều kiện của chấn tử phản xạ. Bức xạ của anten chủ yếu do chấn tử cộng hưởng quyết định và sẽ được định hướng theo trục anten, về phía các chấn tử nhỏ hơn.

- Nếu tần số máy phát giảm đi, còn là 𝜏f0 ( nhỏ hơn 1) thì vai trị của chấn tử cộng hưởng sẽ𝜏được dịch chuyển sang chấn tử có độ dài lớn hơn kế đó, và ngược lại, nếu tần số tăng lên bằng f0

τthì chấn tử cộng hưởng sẽ chuyển sang chấn tử ngắn hơn kế đó.

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

λ12 τ=

- Miền bức xạ của anten sẽ dịch chuyển khi tần số công tác thay đổi, nhưng hướng bức xạ cực đại vẫn giữ nguyên.

𝑙𝑛fn = ( − 1)𝑛 𝑙𝑛𝜏 + 𝑙𝑛𝑓1 (2.4)

- Ta thấy khi biểu thị tần số trên thang đo logarit thì tần số cộng hưởng của anten sẽ được lặplại qua các khoảng giống nhau là 𝑙𝑛𝜏, chính vì thế mà người ta gọi anten là anten loga- chu kì. - Khi anten hoạt động ở tần số cộng hưởng thì các thông số điện như đồ thị phương hướng, trở kháng vào, … sẽ khơng có sự thay đổi. Nhưng ứng với các tần số trung tâm giữa các tần số cộng hưởng f1 ÷ f2 , f2 ÷ f3 , … fn−1÷ fn , các tần số của anten sẽ bị thay đổi nhỏ. Ta cũng có thể cấu tạo anten sao cho trong khoảng giữa 2 tần số kề nhau các thông số biến đổi trong một giới hạn chấp nhận được.

- Đồ thị phương hướng của anten được xác định bởi số lượng chấn tử của miền bức xạ tác dụng, thông thường là khoảng 3 ÷ 5, và bởi tương quan biên độ và pha của dòng điện trong các chấn tử ấy. Các đại lượng này lại phụ thuộc vào các thơng số hình học và của kết cấu anten. 𝜏 𝛼- Với xác định, tăng thì số chấn tử thuộc miền bức xạ tác dụng cũng tăng, do đó đồ thị 𝛼 𝜏phương hướng hẹp lại. Nhưng nếu tăng quá lớn thì đặc tính phương hướng lại xấu đi vì lúc đó 𝜏kích thước miền bức xạ tác dụng giảm do các chấn tử quá gần nhau. Giữ nguyên , giảm đến một𝜏 𝛼giới hạn nhất định nào đó sẽ làm hẹp đồ thị vì khi đó khoảng cách giữa các chấn tử lại tăng và do đó tăng kích thước miền bức xạ tác dụng.

Page of 928

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Anten loga chu kỳ | Nhóm 4

- Các giá trị giới hạn của và thường là 𝜏 𝛼 τmax ≈ 0,95; αmin ≈ 100

- Đồ thị quan hệ giữa góc nửa cơng suất trong hai mặt phẳng E và H ứng với các thông số τ và α khác nhau. Từ đồ thị có thể thấy rằng đồ thị phương hướng của anten trong mặt phẳng H rộnghơn trong mặt phẳng E (đó là do tính hướng của mỗi chấn tử hợp thành anten).

Hình 2.2: Quan hệ giữa 2θ1/2 với các thông số τ và α

- Anten loga chu kỳ ngồi loại chấn tử có kết cấu là dây dẫn thẳng cịn có thể được thực hiệntheo một số cách khác khi kết cấu chấn tử có dạng tùy ý: khung dây dẫn thẳng hình thàn hoặc tam giác, các phiến kim loại, … Đặc tính bức xạ của Anten loại này cũng khác so với Anten mà chấn tử làm hàng dây dẫn thẳng (hình 2.3).

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Hình 2.3: Một số loại anten loga chu kỳ khác

2.2 Đặc tính

2.2.1 Đặc tính chung

- Dạng phổ biến nhất của anten loga chu kỳ là anten Log-Periodic Dipole Array (LPDA). LPDA là một loại anten dải rộng có thể thu đồng đều các tần số có độ bao trùm rất lớn, có dải tần siêu rộng, ở mỗi tần số chỉ có một khu vực trên anten tham gia bức xạ hoặc nhận sóng điện từ, đây là đặc trưng đặc biệt của LPDA.

- Về mặt điện, Anten loga chu kỳ mô phỏng một loạt các anten Yagi-Uda gồm 2 hoặc 3 phầntử được kết nối với nhau, mỗi anten được điều chỉnh ở một tần số riêng.

- Có cấu tạo phức tạp, nhiều chân tử, tiếp điện đan chéo từng cặp một và được tiếp điện từ 1 đường fide song hành chung, cấu tạo này cũng hơi giống anten Yagi-Uda, tuy nhiên chúng hoạt động theo các cách khác nhau, việc thêm các phần tử vào Yagi sẽ làm tăng hệ số tăng ích hoặc tínhđịnh hướng, cịn khi thêm vào LPDA thì sẽ tăng đáp ứng tần số hoặc băng thơng của nó.

Hình 2.4: Kết cấu anten loga chu kỳ

Page 11 of 28

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Anten loga chu kỳ | Nhóm 4

- Trên thực tế mặc dù LPDA có hệ số định hướng nhỏ hơn một chút so với mảng Yagi-Uda (7-12 dB), chúng có thể đạt được và duy trì trên băng thơng hơn nhiều. Tuy nhiên sự khác biệt lớn nhất giữa chúng là kích thước hình học của phần tử mảng Yagi-Uda khơng tn theo bất kì mẫu thiết lập nào, cịn độ dài, khoảng cách, đường kính và khoảng cách khe hở tại tâm lưỡng cực của mảng loga chu kỳ tăng theo logarit được xác định bởi nghịch đảo của tỷ lệ hình học 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏

- Một tham số khác thường được kết hợp với mảng anten loga chu kỳ là hệ số hình dạng σ

- Hai tham số và σ là hai tham số đặc trưng của anten loga chu kỳ, là hai yếu tố làm nên sự 𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏khác biệt giữa hai anten Yagi-Uda và loga chu kỳ

- Để có dạng bức xạ một chiều, cấu trúc phải bức xạ tập trung về phía các phần tử ngắn hơn, tức hướng bên trái và không đáng kể về phía bên phải.

- Trong vùng hoạt động, để có bức xạ mạnh, thì độ lớn và pha của các dịng điện phải phù hợp; vùng khơng hoạt động phải có trở kháng đặc trưng sở hữu bức xạ nhỏ hoặc không đáng kể.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Hình 2.5: Mơ hình bức xạ của anten loga chu kỳ 1 hướng

- Đối với anten Loga chu kỳ hai hướng, bức xạ tối đa diễn ra ở hướng rộng, vng góc với bề mặt của anten.

Hình 2.6: Mơ hình bức xạ của anten loga chu kỳ 2 hướng

Page of 1328

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Anten loga chu kỳ | Nhóm 4

PHẦN 3ỨNG DỤNG

Để ứng dụng được anten loga chu kỳ, ta cần rút ra những ưu-nhược điểm của chúng

3.1 Ưu, nhược điểm

- Ưu điểm:

+ Gần như độc lập với tần số, băng tần rộng, tỉ lệ back-to-front không thay đổi : anten logachu kỳ hoạt động trên một dải rộng của tần số, từ HF đến UHF, nên linh hoạt và phù hợp cho nhiềuứng dụng

+ Thiết kế gọn gàng: phù hợp cho các ứng dụng có khơng gian thiết kế hạn chế

+ Độ khuếch đại và mẫu phát sóng điều chỉnh theo yêu cầu, sự thất thốt năng lượng khơngđáng kể khi kết thúc: anten có thể tuỳ chỉnh hiệu suất dựa trên nhu cầu, truyền tải tín hiệu hiệu quả

+ Khả năng chống trở kháng: tỷ lệ sóng đứng (SWR) nhất quán ở các tần số khác nhau+ Tính chất hoạt động tương đối giống với mảng anten Yagi: một anten loga chu kỳ có thểthay thế cho nhiều anten Yagi

- Nhược điểm:

+ Tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR) của anten log periodic khơng tốt. Để có hiệu suất VSWRcao thì anten cần có kích thước rất lớn

+ Chi phí lắp đặt cao ( so với các loại anten khác)

+ Bề mặt lắp đặt phải vững chắc để có thể giữ ổn định các yếu tố của anten

3.2 Ứng dụng

- UHF (Ultra High Frequency) Terrestrial TV-Truyền hình trên sóng vơ tuyến: Việc truyềntải tín hiệu truyền hình bằng cách sử dụng các tần số UHF. Truyền hình trên sóng vơ tuyến đề cậpđến việc phát sóng tín hiệu truyền hình qua khơng khí, cho phép người dùng có anten nhận tín hiệuvà điều chỉnh vào các kênh trên truyền hình của họ.

- Thông tin liên lạc HF: Thông tin liên lạc HF được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng liênlạc từ xa vì sử dụng băng tầng cao trong dải tần số HF. Anten loga chu kỳ thường được sử dụngtrong các ứng dụng liên quan tới đối ngoại quốc tế. Thông tin được truyền tải qua các kênh bảomật cao như mạng thơng tin của chính phủ, đường dây điện thoại bảo mật, hoặc thậm chí là thơng

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

qua các phương tiện giao tiếp đặc biệt. Các vấn đề chính trị quan trọng cần đề cao tính bảo mậtthường sử dụng loại anten này.

(a) (b)Hình 3.1:(a) Terrestrial UHF VHF television antenna;(b) R&S GB130 5 MHz to 30 MHz log periodic HF antenna

- Phép đo EMC: Phép đo EMC có vai trị quan trọng đảm bảo rằng các thiết bị điện tử đápứng các yêu cầu quy định trong ngành công nghiệp. Các thiết bị khơng đạt tiêu chuẩn có thể dẫnđến các vấn đề gây nhiễu loạn cho các thiết bị điện tử khác hoặc trở bị tác động, gây suy giảm hiệusuất hoặc gặp sự cố. Phép đo EMC cần quét dải tần số rộng vì vậy mà anten loga chu kỳ được ứngdụng trong lĩnh vực này.

Hình 3.2: New HT6 600MHz to 10GHz UWB Antenna Log Periodic Antenna EMC Antenna

- Ứng dụng khác: Anten loga chu kỳ thường được ứng dụng cho các lĩnh vực yêu cầu vềbăng thông rất rộng và cần có khả năng định hướng

Page of 1528

</div>