Chương 1: CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG ANTEN THU VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH Giới thiệu chương: Chương này trình bày khái quát về các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống anten thu vô 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 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 IA i [ ( ϕ , φ ) −kr ] Ė= f (θ , φ) .1) r Trong đó r, θ,φ là tọa độ điểm quan sát M trong hệ tọa độ cầu (hình 1.
e iϕ (θ , φ )= ḟ ( θ , φ ) Là một hàm phức phụ thuộc vào cấu trúc của anten Φ ( θ , φ ) : Pha của trường IA: Biên độ dòng tại một điểm nào đó trên anten Hình 1.1 Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công 1 Đồ án tốt nghiệp Định nghĩa: Hàm f ( θ , φ ) ( Tức modun của hàm ḟ ( 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 1.2 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 vuông 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 )= (1.2) f max 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 vuông 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.
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 Thông thường đặc trưng hướng có một số cực đại, gọi là đặc trưng hướng có nhiều cánh sóng hình 1. Cánh có hướng phát xạ cực đại lớn nhất gọi là cánh chính(cánh 1 hình 1.Các cánh còn 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 1.4 Ngoài đặc trưng hướng tính theo cường độ trường F E ( θ , φ ) người ta còn dụng đặc trưng hướng tính theo công suất F P ( θ , φ )(đường chấm hình 1.3) Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công 3 Đồ án tốt nghiệp Độ định hướng của anten tính bằng độ rộng cách sóng chính theo mức nửa công suất (2θ0,5 P) hoặc theo mức 0,707 theo trường ( 2 θ0,707 E ) [xem hình 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 không 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 quát trường có phân cực elip. Trường phân cực elip là tổng 2 trường phân cực tuyến tính có các vecto điện Eθ và Eφ vuông góc với nhau và lệch pha nhau một góc δ nào đó.
Có nghĩa là đầu mút vecto tổng vẽ nên trong không gian một hình elip sau một chu kỳ dao động. Khi sóng truyền trong không gian tự do thì elip này nằm trong mặt phẳng vuông 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 .6) Eθ E φ Eφ eφ Chuyển thừa số cos δ của biểu thức 1.6 sang vế trái sau đó bình phương 2 vế ta Eφ nhận được 2 2 eφ e eθ e ( ) ( )( ) ( ) Eφ −2 φ Eφ Eθ Eθ 2 cos δ + θ =sin δ(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 không gian có thể khác nhau , chẳng hạn: Khi δ =nπ (n số nguyên) trường có phân cực tuyến tính π Khi δ=(2 n+1) 2 và Eθ =Eφ trường có phân cực tròn 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 toán ta có hệ số phân cực của trường 2 √ Eφ b P= = a √ 1+m 2− ( 1−m 2 ) +4 m 2 cos 2 δ 2 2 2 √ 1+m + 1−m +4 m cos δ ( ) 2 2 ( 1.8 ) Ở đây m= Từ đây ta thấy khi trường phân cực tuyến tính ( δ=nπ ) thì P=0. Khi Eθ π ( trường phân cực tròn δ= (2 n+1 ) 2 ) và m=1 thì P=1. Trong trường hợp tổng quát 0<P<1 trường phân cực elip 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) Pbxvh E vh=E dh D= { Pbxdh r=const (1.9) θ=0 Evh M θ=0 Edh Hình 1.7 Cũng có thể gọi hệ số tác dụng định hướng là độ tăng hữu ích về công 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 1.11) 240 π Công suất phát xạ của anten định hướng trong toàn không gian Pbxvh =∮ Π ( θ , φ ).
ds Vì trong hệ tọa độ cầu, vi phân diện tích ds=r 2 sinθ .11) ta có: 2π π IA 2 2 Pbxvh = ∫ ∫ f ( θ , φ ) sin θ .12 ) 240 π 0 0 Đối với anten bức xạ vô hướng Evh2 Pbxvh .4 π r 2 240 π Với điều kiện Eđh=Evh thì 2 2 I A. dφ 0 0 Chia tử và mẩu của vế phải cho f 2max ( θ , φ ) ta có 2 4 π. dφ 0 0 Nguyễn Văn Quang-Nguyễn Thành Công 7 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) 4π D max = 2 π π (1.
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 .17) Nếu đặc trưng hướng của anten có tính chất đối xứng trục tức là không phụ thuộc tọa độ φ thì từ (1. dθ 0 Gần đúng Dmax được xác định 35.19) ( 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 công 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 1.4 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.