TÀI LIỆU HƯỚNG dẫn THÍ NGHIỆM môn ANTEN TRUYỀN SÓNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
***

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM
MÔN ANTEN TRUYỀN SÓNG

Họ tên sinh viên: ………………………………………
Mã lớp TN: ……………………………………………
Mã số SV: ……………………………………………
Lớp:

…………………………………………………

Email: …………………………………………………

Hà Nội 2015

1


BÀI THÍ NGHIỆM

1
ĐƯỜNG CONG CALIBRATION CỦA BỘ
SUY HAO BIẾN ĐỔI ĐƯỢC

I.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Bài thí nghiệm này giúp sinh viên làm quen với những khái niệm về sự suy giảm

và suy hao xen.

II.

THẢO LUẬN
Suy giảm được định nghĩa là sự giảm công suất của tín hiệu truyền giữa hai
điểm. Trong hầu hết trường hợp, sự suy giảm gây nên những tác động không
mong muốn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp đặc biệt, sự suy giảm lại cần
thiết cho thiết kế hệ thống. Ở tần số thấp, sự suy giảm thường được biểu diễn
thông qua một hàm của điện áp và dòng điện bởi đây là những tham số mà có
thể dễ dàng đo đạc được. Ở tần số cao, sự suy giảm lại thường được biểu diễn
thông qua hàm của mức công suất với đơn vị là dB. Sự suy giảm A của tín hiệu
khi truyền giữa hai cặp điểm 1 và 2 có thể được tính toán dựa vào biểu thức sau:

P1
V
(1-1)
 20 log 1
P2
V2
Trong đó, P1 và P2 là các mức công suất được đo bằng W hay mW tại hai
Attenuatio n(dB)  10 log

điểm 1 và 2. Tương ứng V1 và V2 là điện áp tại hai điểm đó. Ta biết rằng, khi nói
đến sự suy giảm tức là nói đến sự mất mát năng lượng và nó là số dương, khi
biểu diễn ở đơn vị dB, nếu P2 nhỏ hơn P1. Nếu P1 và P2 được cho bởi dBm,
A(dBm) = P1(dBm) – P2(dBm).

2

Suy hao xen chính là sự suy giảm gây nên khi chèn thêm một thành phần
vào hệ thống truyền dẫn. Cụ thể hơn, suy hao xen là tỉ số giữa công suất P1/P2
trong đó, P1 và P2 tương ứng là công suất cung cấp tới tải trước và sau khi có
sự chèn thêm thành phần vào hệ thống truyền dẫn. Trên hình 1-1 (b), suy hao
xen được tính theo đơn vị dB như sau:
Suy hao xen (dB)=10 log

V1
V2

P1

Nguồn

Tải

(1-2)
a. Trước khi chèn
Hình 1-1. Minh họa phép đo insertion loss
P3
P1

P2

Đường
nối

Nguồn

Tải

P4

b. Sau khi chèn
HÌnh 1-1. Minh họa phép đo insertion loss (tiếp)
Chú ý: Trong một số trường hợp, khái niện suy hao xen được các nhà sản xuất
sử dụng để mô tả mức suy giảm tối thiểu của tín hiệu khi truyền qua một thiết bị.
Theo đó, the suy hao xen của một bộ suy giảm biến đổi được chính là sự suy
giảm phần dư khi điểu khiển bộ suy giảm ở mức minimum.
Trên hình 1-1, chú ý rằng một giá trị công suất nào đó sẽ được kết hợp để
giới hạn mức công suất P2 cấp cho tải. Ví dụ, có thể sẽ phải tiêu tốn một lượng
công suất P3 nào đó do sự nóng lên của các vật dẫn khi truyền lan hoặc tiêu
hao do các vật cách điện trong thiết bị. Năng lượng phản xạ P4 tại đầu vào thiết
bị cũng sẽ làm giảm mức năng lượng truyền đến tải.

3


Nhìn chung, suy hao xen của thiết bị là một hàm của của trở kháng nguồn
và trở kháng tải. Để đo suy hao xen và xác định được đặc tính chung nhất của
thiết bị, trở kháng nguồn và trở kháng tải là đặc trưng cho ống dẫn sóng.
Có rất nhiều kỹ thuật đo suy giảm và suy hao xen. Các phương pháp đo
phổ biến là phương pháp thay thế RF, phương pháp thay thế DC, phương pháp
thay thế IF (intermediate frequency) và phương pháp tỉ số công suất.
Trong bài thí nghiệm này, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp tỷ số công
suất để đo suy sự suy giảm. Đây là một phương pháp đo khá đơn giản nhưng
cho kết quả đo tương đối chính xác. Trước tiên, người ta nối trực tiếp một tải với
nguồn sóng siêu cao tần và tiến hành đo năng lượng trên tải này. Tiếp theo,
chèn thiết bị cần kiểm tra suy hao vào giữa nguồn và tải và tiến hành lại phép đo

năng lượng trên tải. Tỷ số giữa hai mức năng lượng đo được cho ta kết quả đo
suy hao hoặc suy hao xen.
Ưu điểm của phương pháp đo tỉ số công suất là nó đòi hỏi tương đối ít
thiết bị và không cần phải điều chế tín hiệu. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc
nhiều vào độ chính xác của đồng hồ đo công suất.
Khi sử dụng điện trở nhiệt để xác định mức công suất thì nhược điểm
chính của phương pháp này là nó giới hạn giá trị đo suy hao trong khoảng 30dB.
Vì vậy, phương pháp này không được sử dụng cho tín hiệu với mức công suất
thấp.
III.

YÊU CẦU VỀ THIẾT BỊ
MÔ TẢ THIẾT BỊ

KÝ HIỆU

GuunGunn Oscillator Power Supply

9501

Power Metter

9503

Gunn Oscillator

9510

Thermistor Mount

9521

Variable Attenuator

9532

Connection Leads and Accessories

9590

4


Waveguide Support (2)

9591

Osciloscope
IV.

TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM
Trong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ xác định giá trị suy giảm biến đổi. Kết quả
thu được sẽ được sử dụng để trợ giúp cho các bài thí nghiệm tiếp theo. Những
khái niệm cơ bản về suy giảm và suy hao xen cũng sẽ được đề cập đến thông
qua các phép đo sử dụng phương pháp tỉ số công suất.
Trước tiên, ta sẽ đo công suất cực đại truyền đến một tải biết trước, ở đây
là một khung điện trở nhiệt. Tiếp theo, bằng cách sử dụng bộ suy hao biến đổi
được trong mạch siêu cao tần, ta đo được năng lượng truyền đến khung điện trở
nhiệt tại các vị trí khác nhau của thanh trượt suy giảm tại 35dB. Sử dụng các
phép đo này ta xác định được sự suy giảm ứng với từng vị trí của thanh trượt.

Từ các giá trị này, ta vẽ được đường cong đặc tuyến suy giảm, đặc tuyến suy
hao xen của bộ suy hao biến đổi được.

 1. Thiết lập trạng thái các nút chuyển mạch nguồn ở vị trí O (off) và đặt các
module như hình 1-2

Power Meter

Gun Oscillator
Power Supply

Hình 1-2 Vị trí các module

 2. Quan sát hình 1-3 và lắp ráp hệ thống như cho trên hình vẽ. Trước khi nối
khung điện trở nhiệt vào hệ thống, rút vít phối hợp trở kháng (matching screw)
ra để tránh ảnh hưởng đến ống dẫn sóng.

5


Hình 1-3. Hệ thống đo năng lượng truyền đến tải trước khi có sự chèn
thêm thiết bị.

 3. Tiến hành các bước điều chỉnh sau trên thiết bị nguồn cấp cho bộ tạo dao
động Guun (Gunn Oscillator Power Supply)
VOLTAGE………………………… : MIN
MODE……………………………… : DC
METER RANGE……………………: 10 V

 4. Chọn thang đo 5dBm trên đồng hồ đo công suất và bật nguồn bộ nguồn

cung cấp cho bộ tạo dao động Gun. Đợi khoảng 2 phút để đồng hồ đo công
suất và khung điện trở nhiệt đạt đến nhiệt độ làm việc. Sau đó, sử dụng núm
hiệu chỉnh điểm không (ZERO ADJUST) hiệu chỉnh kim hiển thị về vị trí 0mW.

 5. Điều chỉnh điện áp cung cấp cho bộ tạo dao động Gunn ở mức 8 V. Điều
chỉnh điện áp cung cấp để đạt được giá trị công suất cực đại.

 6. Điều chỉnh vị trí vòng ngắn mạch có thể di chuyển được và các vít phối
hợp trở kháng của khung điện trở nhiệt để đạt được giá trị công suất cực ghi
trên đồng hồ đo công suất.

 7. Ghi lại giá trị công suất cực đại truyền đến tải như hiển thị trên đồng hồ đo
công suất:
Maximum Power = ....................dBm

6


Chú ý: Để có thể đọc được giá trị công suất ở dBm, ta phải cộng giá trị của
thang đo đã chọn với giá trị âm của công suất đọc được trên đồng hồ đo công
suất thang đo dBm. Ví dụ, nếu chọn thang đo 5 dBm, và kim trên đồng hồ đo
công suất chỉ -2 dBm thì mức công suất là 5 – 2 =3 dBm.

 8. Tháo bỏ cáp cung cấp nguồn của bộ tạo dao động Gunn khỏi nguồn cung
cấp.

 9. Bố trí bộ suy hao biến đổi được nằm giữa một bộ suy hao cố định 6 dB và
khung điện trở nhiệt như thể hiện trên hình vẽ 1-4.

Hình 1-4. Hệ thống sử dụng để calibrate bộ suy hao biến đổi được

 10. Hiệu chỉnh bộ suy hao biến đổi được tới 0.00 mm. Nối lại cáp cung cấp
nguồn cho bộ tạo dao động Gunn.

 11. Ứng với mỗi vị trí của thanh trượt bộ suy hao biến đổi được như biểu
diễn trên cột POSITION của bảng 1-1, đo và ghi vào cột công suất (POWER)
giá trị công suất truyền đến điện trở nhiệt. Lấy giá trị công suất cực đại đo
được ở bước 7 trừ đi giá trị công suất đo được ta sẽ thu được suy hao xen
tính bằng đơn vị dB. Ghi lại kết quả vào cột INSERTION LOSS.
Chú ý: Với các thiết bị sử dụng, ta không thể đo được mức công suất nhỏ
hơn –20 dBm, vì vậy, dòng cuối cùng của bảng 1-1 có thể được để trống.

7


Nếu kim hiển thị của đồng hồ đo công suất chỉ dưới mức –5 dBm, tiến hành
chọn lại thang đo thấp hơn để có thể có được phép đo chính xác bằng cách
thực hiện các bước sau:
a. Tháo bỏ cáp nguồn cho bộ tạo dao động Gunn.
b. Chọn thang đo thấp hơn trên đồng hồ đo công suất.
c. Sử dụng núm ZERO ADJUST để tiến hành hiệu chỉnh điểm không cho
đồng hồ đo công suất.
d. Đợi khoảng 1 phút để điện trở nhiệt đạt đến trạng thái ổn định. Ở bước
này, có thể phải hiệu chỉnh lại điểm không cho đồng hồ đo công suất.
e. Nối lại cáp cung cấp nguồn cho bộ tạo dao động Gunn.
f. Tiến hành phép đo công suất.
Chú ý: Để có thể có được số liệu đo chính xác ở thang đo –5 dBm và –10
dBm thì cần thiết phải lặp lại các bước a, c, e và f sau mỗi lần đọc kết quả.
Để có thể đo được insertion loss lớn hơn hoặc bằng 15 dB, tiến hành các
bước sau:

a. Tháo cáp nguồn cung cấp cho bộ tạo dao động Gunn.
b. Tháo bỏ bộ suy hao cố định 6 dB. Kết quả là ta được hệ thống như hình
1-5.

8


Hình 1-5. Hệ thống dùng để đo insertion loss lớn hơn 15 dB.
c. Nối lại cáp nguồn cho bộ tạo dao động Gunn.
d. Đo và ghi lại giá trị công suất phân phối đến điện trở nhiệt vào cột công
suất (POWER). Lấy giá trị công suất cực đại đo được ở bước 7 trừ đi giá
trị công suất đo được và cộng thêm 6 dB. Ghi kết quả vào cột INSERTION
LOSS của bảng 1-1.

 12. Từ những giá trị có được ở bảng 1-1, vẽ đặc tuyến suy hao và suy hao
xen của bộ suy hao biến đổi được là hàm của vị trí của thanh trượt bộ suy
hao biến đổi được, hình 1-6. Đây chính là đường cong “calibration” của bộ
suy hao biến đổi được và sẽ được sử dụng cho các bài thí nghiệp tiếp theo.

 13. Xoay núm điều khiển VOLTAGE trên bộ nguồn cung cấp cho bộ tạo dao
động Gunn về vị trí MIN. Đưa tất cả các công tắc chuyển mạch nguồn về vị trí
O (Off). Tháo rời các thiệt bị của hệ thống và đưa chúng về đúng vị trí trong
hộp thiết bị.
Vị trí Mức công suất Độ suy hao Vị trí Mức công suất Độ suy hao
mm

dBm

db

mm

0.0

2.0

0.5

2.5

1.0

3.0

1.5

3.5

dBm

Bảng 1-1. Calibrating the bộ suy hao biến đổi được

9

db


25

Suy hao

20

15

10

5

0

1

2

3

4

mm

Hình 1-6. Calibration of the bộ suy hao biến đổi được
V.

KẾT LUẬN

Trong bài thí nghiệm này, ta đã xác định suy hao xen bằng cách bố trí một bộ suy hao
biến đổi được với một mạch tín hiệu siêu cao tần. Đồng thời, qua bài thí nghiệm, sinh
viên học được cách tiến hành một phép đo suy hao sử dụng phương pháp tỉ số công
suất. Vẽ đường cong đặc tuyến cho bộ suy hao biến đổi được 35dB.

10


BÀI THÍ NGHIỆM

2
ĐO SUY HAO
VI.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Sau bài thí nghiệm này, sinh viên có thể đo sự suy giảm và suy hao xen bằng
phương pháp thay thế RF. Ngoài ra sinh viên sẽ được làm quen và thao tác với
đồng hồ đo tỷ số sóng đứng (SWR meter)

VII.

THẢO LUẬN
Phương pháp thay thế RF dùng để đo suy hao được mô tả trên hình 2-1. Đây là
phương pháp cho độ chính xác của phép đo rất cao. Với phương pháp này, thiết
bị có hệ số suy hao chưa biết và cần đo được đặt giữa nguồn tín hiệu siêu cao
tần. Sau đó, bộ suy hao biến đổi sẽ được điều chỉnh để có được mức tín hiệu
thích hợp ở đầu ra của bộ tách sóng . Cuối cùng, tháo thiết bị cần đo suy hao ra
khỏi hệ thống và điều chỉnh bộ suy hao biến đổi được sao cho đạt được mức tín
hiệu như cũ ở đầu ra của bộ tách sóng.

Hình 2-1. Đo suy hao bằng phương pháp thay thế RF.
Khoảng động của phương pháp đo này phụ thuộc phần lớn vào thiết bị
detector được sử dụng. Ví dụ, nếu sử dụng đồng hồ đo công suất và một điện
trở nhiệt thì các kết quả đo được sẽ chỉ có thể nằm trong một khoảng động

tương đối thấp. Ngoài ra, cũng có thể sử dụng tách sóng làm bằng tinh thể hoặc
có thể sử dụng Oscilloscope. Tuy nhiên, một bộ khuyếch đại một chiều cũng có
thể được sử ở đầu ra của bộ detector để tăng độ nhạy. Trong phần lớn trường

11


hợp, một bộ detector tinh thể và một đồng hồ đo tỉ số sóng đứng (SWR meter)
sẽ được sử dụng và lúc này, khoảng động có thể đạt đến 60 dB.
Một đồng hồ đo tỉ số sóng đứng (SWR meter) bao gồm một đồng hồ và
một bộ khuyếch đại tín hiệu có hệ số thay đổi được ở 1kHz. Tín hiệu sóng siêu
cao tần đưa vào thiết bị kiểm tra phải được điều biên ở tần số 1kHz. Đồng hồ
SWR mà chúng ta sử dụng ở đây có khoảng đo 70 dB và có thể chọn mai mức
dải thông: 20Hz hoặc 100Hz.
Một trong những ưu điểm của phương pháp thay thế RF dùng trong đo
suy hao là loại trừ được những sai sót gây bởi tách sóng. Ngoài ra, quá trình đo
không phụ thuộc vào bất cứ một loại tách sóng nào.
Đối với phương pháp này, sai số chủ yếu do bộ suy hao, sự phản xạ ở
lớp tiếp giáp giữa các thiết bị, sự xuất hiện của các tín hiệu điều hòa và một thực
tế là bất cứ một phép đo nào cũng đều có một giới hạn nhất định về sự ổn định
cũng như tính chính xác.
VIII.

IX.

YÊU CẦU VỀ THIẾT BỊ
MÔ TẢ THIẾT BỊ

KÝ HIỆU

GuunGunn Oscillator Power Supply

9501

SWR Meter

9502

Gunn Oscillator

9510

Crystal Detector

9522

Variable Attenuator

9532

Fixed Attenuator (6dB)

9533

Fixed Attenuator (30dB)

9534

Connection Leads and Accessories

9590

Waveguide Support (2)

9591

TRÌNH TỰ THÍ NGHIÊM

12


Trong bài thí nghiệm này, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp thay thế RF để đo
suy hao xen của một bộ suy hao cố định. Bộ nguồn cung cấp cho bộ tạo dao
động Gunn sẽ sử dụng một tín hiệu xung vuông 1kHz để điều biên tín hiếu sóng
siêu cao tần. Bộ phát hiện tín hiệu chúng ta sẽ sử dụng ở đây là một bộ phát
hiện tinh thể và một đồng hồ SWR. Bộ suy hao biến đổi được sẽ được sử dụng
làm một bộ suy hao biết trước.
Với bộ suy hao cố định 6 dB chưa biết trong hệ thống, thanh trượt (blade)
của bộ suy hao biến đổi được sẽ được đặt ở vị trí 0.00 mm, và đồng hồ SWR sẽ
được đặt ở chế độ “reference reading”. Sau đó, tháo thiết bị có hệ số suy hao
chưa biết ra khỏi hệ thống và điều chình bộ suy hao biến đổi được để lại đạt
được “reference reading” trên đồng hồ SWR. Sử dụng đường cong calibration đã
vẽ ở bài thí nghiệm 4, ta sẽ xác định được suy hao ở vị trí mới của thanh trượt và
vị trí 0.00 mm. Hệ số suy hao của của bộ suy hao chưa biết sẽ bằng sự chênh
lệch giữa hai hệ số suy hao trên.
Trên hình 2-2 là mặt trước của đồng hồ SWR mà chúng ta sẽ sử dụng. Nó
bao gồm một đồng hồ đo calibrated, một jắc nối đầu vào , một núm điều chỉnh
tần số trung tâm, một núm điều chỉnh tăng ích (GAIN), một chuyển mạch điều
chỉnh khoảng tăng ích, một chuyển mạch chọn dải thông, một chuyển mạch chọn
thang đo bình thường (NORMAL) hay thang mở rộng (EXPANDED SCALE) trên

đồng hồ, một jắc nối đầu ra một chiều và cuối cùng là công tắc nguồn.
Trên đồng hồ SWR có 5 thang đo, hai thang NORMAL (1.0 đến 4 và 3.2
đến 10), một thang EXPANDED (1.0 đến 1.33), một thang NORMAL dB (0 dB
đến 10 dB), và một thang EXPANDED dB (0 dB đến 2.5 dB). Trong bài thí
nghiệm này, chúng ta sẽ sử dụng các thang dB. Các thang đo này chỉ cho phép
chúng ta thiết lập mối quan hệ giữa các phép đo công suất mà không cho phép
ta đo được mức công suất chính xác.
Núm điều chỉnh tần số trung tâm được sử dụng để điều chỉnh bộ khuyếch
đại tới tần số trùng với tần số tín hiệu điều chế.
Chuyển mạch chọn dải thông dùng để chọn một dải thông xác định cho bộ
khuyếch đại: 20Hz hay 100Hz. Trong tài liệu này, dải thông được chọn sẽ là
20Hz.

13


 1. Thiết lập trạng thái các nút chuyển mạch nguồn ở vị trí O (off) và đặt các
module như hình 2-3

Hình 2-2. Mặt trước của đồng hồ SWR

Hình 2-3. Bố trí các module

 2. Quan sát hình 2-4 và lắp ráp hệ thống như cho trên hình vẽ.
 3. Tiến hành các bước điều chỉnh sau:
-

Trên thiết bị nguồn cấp cho bộ tạo dao động Guun (Gunn Oscillator Power
Supply)
VOLTAGE………………………… : MIN

MODE……………………………… : 1 KHz
METER RANGE……………………: 10 V

-

Trên đồng hồ đo tỉ số sóng đứng (SWR meter):
RANGE...........................................: 30 bB
GAIN...............................................: 10 dB (Fully cw)
SCALE............................................: NORMAL

14


BANDWIDTH..................................: 20 Hz
-

Trên bộ suy hao biến đổi được:
Blade Position...............................: 11 mm

Hình 2-4. Thiết lập thí nghiệm

 4. Bật nguồn bộ cung cấp năng lượng cho bộ tạo dao động Gunn và đồng
hồ SWR, đợi khoảng 1 phút để bộ cung cấp nguồn đạt trạng thái ổn định.
Điều chỉnh mức điện áp cung cấp cho bộ dao động Gunn ở mức 8 V.

 5. Điều chỉnh vị trí thanh trượt blade của bộ suy hao biến đổi được để đạt
được giá trị -5 dB trên đồng hồ SWR. Trong bước này, có thể sẽ phải thay
đổi thang đo trên đồng hồ SWR đến –40 dB.

 6. Thay đổi tần số trung tâm bằng cách sử dụng núm CENTER

FREQUENCY để có được tín hiệu cực đại.
Chú ý: Tín hiệu cực đại phụ thuộc vào độ lệch cực đại của kim hiển thị về
phía bên phải.

 7. Thay đổi điện áp cung cấp cho bộ tạo dao động Gunn sao cho có thể đọc
được giá trị cực đại trên đồng hồ đo tỉ số sóng đứng SWR.

 8. Điều chỉnh bộ suy hao biến đổi được tới 0.00 mm
Điều chỉnh núm GAIN trên đồng hồ SWR sao cho đọc được giá trị - 4dB trên
đồng hồ SWR.

15


 9. Tháo bỏ cáp cung cấp nguồn cho bộ tạo dao động Gunn. Lắp ráp các
thiết bị thành hệ thống như cho trên hình vẽ:

Hình 2-5. Hệ thống đo suy hao xen của bộ suy hao cố định 6 dB

 10. Lắp lại cáp cung cấp nguồn cho bộ tạo dao động Gunn. Điều chỉnh bộ
suy hao biến đổi được để đạt được giá trị tham chiếu như trước đây (4 dB)
trên đồng hồ SWR. Chú ý vị trí thanh trượt của bộ suy hao biến đổi được.
Vị trí thanh trượt của bộ suy hao biến đổi được = .........mm

 11. Sử dụng đường cong “calibration” của bộ suy hao biến đổi được (hình 16, vẽ ở bài thí nghiệm số 1), xác định suy hao tương ứng với hai vị trí của
thanh blade sau:
Suy hao ứng với vị trí của thanh blade trong bước 10 =.........dB
Suy hao tại vị trí 0.00 mm = ......................dB
Tính chênh lệch hai suy hao trên:
Chênh lệch =...................dB.

Ý nghĩa của sự chênh lệch về hệ số suy hao này là gì ?
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
……...

16


 12. Xoay núm điều khiển VOLTAGE trên bộ nguồn cung cấp cho bộ tạo dao
động Gunn về vị trí MIN. Đưa tất cả các công tắc chuyển mạch nguồn về vị trí
O (Off). Tháo rời các thiệt bị của hệ thống và đưa chúng về đúng vị trí trong
hộp thiết bị.
X.

KẾT LUẬN
Qua bài thí nghiệm này, sinh viên có thể:



Làm quen với thiết bị đo hệ số sóng đứng SWR



Sử dụng phương pháp thay thế RF để đo suy hao xen của một bộ suy hao cố
định.

17

BÀI THÍ NGHIỆM

3
ANTEN VÀ ĐẶC TÍNH PHƯƠNG HƯỚNG
XI.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Khi hoàn thành bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ quen và có thể thực hiện việc đo
độ khuyếch đại và đặc tính phương hướng của một anten. Đồng thời, sinh viên
cũng có thể nắm được phương pháp vẽ đồ thị phương hướng của một anten.

XII.

THẢO LUẬN
Trong các bài trước, ta mới chỉ xem xét quá trình truyền lan sóng điện từ trong
một ống dẫn sóng. Trong bài thí nghiệm này, chúng ta sẽ xem xét việc phát sóng
siêu cao tần vào không gian tự do. Anten là thiết bị chuyển tiếp giữa ống dẫn
sóng hay các đường truyền dẫn với không gian tự do. Chúng có thể được dùng
để nhận sóng từ không gian tự do hoặc phát xạ năng lượng sóng điện từ vào
không gian tự do theo một hướng định trước.
Hình 3-1 mô tả hình dạng và ký hiệu của một loại anten loa mà ta sẽ sử
dụng trong bài thí nghiệm này.

Hình 3-1. (a) Anten loa và (b) Ký hiệu của nó.

18


Công suất một anten nhận được sẽ bị suy giảm khi di chuyển nó ra xa
anten phát. Công suất tín hiệu nhận được tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa

anten phát và anten thu. Phần công suất suy giảm này được gọi là suy hao trong
không gian tự do PL (Propagation Loss). Biểu thức toán học xác định suy hao
trong không gian tự do được cho bởi công thức 3-1.

4r
 4r 
PL(dB)  10log
  20log
λ
 λ 
2

Trong đó: r là khoảng cách giữa các anten (m)
 là bước sóng của tín hiệu lan truyền trong không gian tự do (m)
Bước sóng trong không gian tự do phụ thuộc vào tần số f của tín hiệu
phát theo biểu thức  = c/f, với c là tôc độ ánh sáng (c = 3.108m/s).
Suy hao trong không gian tự do, được định nghĩa là sự suy giảm giữa hai
bộ bức xạ đẳng hướng trong không gian tự do, được tính như tỉ lệ công suất
theo đơn vị dB. Bộ bức xạ đẳng hướng là một anten theo giả thuyết có mật độ
bức xạ bằng nhau theo mọi hướng. Khái niệm bộ phát xạ đẳng hướng rất có ích
trong nghiên cứu anten vì nó mang lại một chuẩn phù hợp cho việc đo đặc tính
phương hướng của các anten thực tế. Chú ý rằng, định nghĩa về suy hao trong
không gian tự do liên quan trực tiếp tới khái niệm bộ phát xạ đẳng hướng, trái
với thực tế rằng nó còn phụ thuộc vào đặc tính phương hướng của anten.
Đối với một tần số hoạt động cho trước, biểu thức 3-1 cho thấy rằng PL
chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các anten. Mối quan hệ này có thể được
kiểm định một cách thực tế bằng cách phát tín hiệu từ một anten và đo công suất
thu tại một anten khác với những khoảng cách đo khác nhau. Tuy nhiên, vì các
anten được sử dụng thường có đặc tính phương hướng nên phương hướng của
các anten phải được giữ cố định khi thực hiện thí nghiệm. Khi khoảng cách giữa

các anten thay đổi, sự suy giảm của công suất tín hiệu nhận được tại cự ly xa so
với cự ly gần có thể dễ đang được tính toán khi sử dụng công thức 3-2.

A(dB)  20log
Trong đó,

A[dB] là độ suy giảm

19

r2
r1


r2

là khoảng cách xa hơn giữa các anten

r1

là khoảng cách gần hơn giữa các anten

Biểu thức 3-2 cho thấy rằng, nếu khoảng cách tăng lên gấp đôi ( r2 =2 r1 ),
công suất suy hao giảm 6dB, có nghĩa là công suất nhận được giảm tới bằng ¼
so với công suất phát. Đây chỉ là một cách thể hiện quy luật phụ thuộc tỉ lệ
nghịch của công suất đối với khoảng cách.
Nhìn chung, một anten có thể được dùng cho cả mục đích thu và mục đích phát
tín hiệu. Khi được dùng để nhận tín hiệu, công suất nhận được phụ thuộc vào
hướng của nó so với anten phát. Trong những hướng nhất định, anten thu có
thể nhận được tín hiệu mạnh hơn so với các hướng khác. Tương tự như thế,

cũng anten đó khi sử dụng cho mục đích phát tín hiệu, công suất bức xạ theo
một số hướng sẽ lớn hơn so với các hướng khác. Như vậy, đối với cùng một
anten, hướng truyền công suất lớn nhất trùng với hướng nhận được công suất
lớn nhất. Tất nhiên khi truyền tín hiệu từ anten này đến anten khác, sẽ tốt hơn
khi hai anten đồng chỉnh, khi đó, anten phát truyền hầu hết tín hiệu về phía anten
thu và anten thu nhận được tốt nhất tín hiệu truyền đến nó.
Đồ thị bức xạ là sự biểu diễn hình học trong không gian ba chiều đặc tính
bức xạ trường khu xa của một anten như là một hàm theo các tọa độ không gian.
Vùng trường khu xa là một vùng đủ xa nguồn phát để đồ thị bức xạ không phụ
thuộc vào khoảng cách tới anten. Đồ thị bức xạ thể hiện sự phân bố năng lượng
được phát đi từ anten. Mặc dù có tên là đồ thị bức xạ nhưng nó lại được sử
dụng chủ yếu cho các anten thu. Đồ thị khảo sát được của một anten được xác
định là đồ thị bức xạ trừ khi nó chỉ ra mức tín hiệu tương đối của công suất thu
như là một hàm phương hướng.
Đồ thị bức xạ của anten là hàm 3 biến, vì lý do trình bày, một hay hai đồ
thị bức xạ được vẽ trong các hệ toạ độ cực thường được dùng để chỉ đặc tính
phương hướng của anten. Mặc dù đồ thị phương hướng được vẽ trong hệ toạ
độ cực thể hiện phân bố công suất chỉ trong một mặt phẳng quay xung quanh
anten, nó có thể chỉ ra đầy đủ đặc tính bức xạ của anten nếu mặt phẳng đó
được chọn đúng. Để đặc tính của anten được thể hiện hoàn thiện hơn, cần biểu
điễn nó bởi hai đồ thị bức xạ vuông góc với nhau. Một trong hai đồ thị được gọi

20


là đồ thị mặt phẳng E, đồ thị này được xác định trên mặt phẳng song song với
trường điện từ theo hướng công suất bức xạ lớn nhất. Đồ thị còn lại được gọi là
đồ thị mặt phẳng H, đồ thị này được xác định tương tự như đồ thị mặt phẳng E
chỉ khác là nó nằm trong mặt phẳng song song với trường từ.

Hình 3-2. Định nghĩa mặt phẳng E và H
Để vẽ được đồ thị bức xạ trong mặt phẳng H, anten phải được quay theo
cách mà hướng bức xạ lớn nhất của nó được đặt trong mặt phẳng H.
Thông thường, đồ thị bức xạ được xác định bằng cách quay anten trong
khi đo mức công suất nhận được như là một hàm phương hướng của anten. Để
có thể có được đồ thị bức xạ đúng, môi trường đo phải tránh mọi chướng ngại
vật. Các bức tường, tòa nhà và thậm chí mặt đất có thể đóng vai trò như các bộ
lệch gây lỗi khi đo để xác định đồ thị bức xạ.
Để thể hiện đặc tính phương hướng của anten bằng con số cụ thể, ta sử
dụng đại lượng độ khuyếch đại tương ứng (tăng ích anten). Đối với một điểm
cho trước trong không gian, tăng ích anten là tỉ số giữa công suất tạo ra bởi
anten tại điểm cho trước đó và công suất được tạo ra bởi một bộ bức xạ đẳng
hướng phát xạ ra cùng một mức công suất tổng.
Hình 3-3 minh hoạ cho định nghĩa này. Cùng một mức công suất tổng
được phát đi bởi hai anten nhưng anten A tạo ra công suất lớn hơn 20dB trong
hướng bức xạ cực đại của nó so với anten 0. anten A được gọi là anten có độ
tăng ích 20dB.
Khi đưa ra độ tăng ích của anten mà không đề cập đến phương hướng,
thì ta hiểu rằng đó là hướng bức xạ cực đại.

21


Có nhiều cách khác nhau để đo độ tăng ích của một anten. Cách đơn
giản nhất là so sánh công suất nhận được bởi một anten lấy làm chuẩn PRef và
công suất nhận được bởi anten cần đo tăng ích PTest . Khi đó, độ tăng ích của
anten chưa biết được tính bởi công thức sau.

GTest 

PTest
GRef
PRef

Nếu các phép đo được thực hiện với đơn vị dB thì độ tăng ích còn được
tính bởi biểu thức sau.

GTest(dB)  PTest(dB)  GRef (dB)  PRef (dB)

Hình 3-3. Đồ thị bức xạ (dB) của anten định hướng A và của anten đẳng hướng 0.

22


Chú ý rằng, nếu ta có thể thực hiện được các phép đo năng lượng chính
xác thì trong công thức trên, đơn vị dBm có thể được thay thế cho đơn vị dB. Ví
dụ, nếu công suất thu của anten cần đo là –15dBm, trong khi công suất thu
được khi sử dụng anten chuẩn với độ tăng ích 10dB là –12dBm thì độ tăng ích
của anten cần đo là 7dB.

PRef

GRef

Gtest 

Ptest
GRef
PRef

Gtest (dB)  Ptest (dB)  GRef (dB)  PRef (dB)

PTest

GTest

Hình 3-4. Mô phỏng phép đo tăng ích anten sử dụng anten chuẩn.
Có một phương pháp khác cho phép ta đánh giá được độ tăng ích của hai
anten đồng nhất. Một khi công suất phát PT và công suất thu PR của hai anten
có thể được xác định cho từng anten thì độ tăng ích của chúng có thể được xác
định bởi công thức toán 3-3.

G

4r PR
λ PT

Trong đó,  là bước sóng của tín hiệu lan truyền trong không gian tự do,
có đơn vị trùng với đơn vị của r, khoảng cách của hai anten.

PT

PR
LOAD

SOURCE

23

Hình 3-5. Phương pháp đo độ tăng ích của hai anten đồng nhất.

24


XIII.

XIV.

YÊU CẦU VỀ THIẾT BỊ
MÔ TẢ THIẾT BỊ

KÝ HIỆU

GuunGunn Oscillator Power Supply

9501

SWR Meter

9502

Gunn Oscillator

9510

Crystal Detector

9522

Variable Attenuator

9532

Horn Antenna (2)

9535

Microwave Accessories

9536

Connection Leads and Accessories

9590

Waveguide Support (2)

9591

Antenna Azimuth Indicator

9592.

TRÌNH TỰ THÍ NGHIÊM
Trong bài thí nghiệm này, chúng ta sẽ sử dụng đồng hồ SWR để thực hiện các
phép đo công suất tương đối vì nó có độ chính xác hơn các đồng hồ đo công
suất. chúng ta không thể đo công suất tuyệt đối được khi sử dụng đồng hồ SWR,
nhưng công suất tương đối lại có thể xác định được khi sử dụng thang đo dB
của đồng hồ SWR.

Trong phần 1 của bài thí nghiệm, chúng ta sẽ xác định mối quan hệ về
công suất của tín hiệu thu và khoảng cách giữa hai anten loa. Ta sẽ phát tín hiệu
từ một anten và dùng đồng hồ SWR để đo độ lớn của tín hiệu nhận được bởi
anten kia với khoảng cách giữa hai anten thay đổi. Công suất tương đối được
xác định bằng cách lấy giá trị chuẩn của phép đo trừ độ lớn tín hiệu đo được
[dB]. Chúng ta sẽ sử dụng các kết quả này để vẽ nên đồ thị biểu diến mối quan
hệ về công suất tín hiệu thu được với khoảng cách hai anten. Đường cong này.
Sau đó, chúng ta sẽ xác định độ tăng ích của hai anten đồng nhất bằng
cách sử dụng phương pháp đo độ tăng ích của hai anten đồng nhất như đã thảo
luận trong phần cơ sở lý thuyết. Đầu tiên, ta đặt một bộ suy hao biến đổi được
giữa bộ tạo dao động Gunn và bộ detector tinh thể được nối với đồng hồ SWR
và hiệu chỉnh bộ suy giảm để đặt mức công suất phát chuẩn. Sau đó, đặt anten
phát và anten thu vào hệ thống, lúc này, SWR sẽ chỉ mức tín hiệu nhận được.

25