CHƯƠNG I VAI TRÒ CỦA ANTEN TRONG KỸ THUẬT VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH 1.1 Vai trò Việc truyền năng lượng điện từ không gian có thể thực hiện theo 2 cách: - Dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, dây dồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi… Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc. - Bức xạ sóng ra không gian. Sóng được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do. Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài gọi là anten.
Anten là một bộ phận quan trọng không thể thiếu được trong bất cứ một hệ thống vô tuyến điện nào. Thông thường giữa máy phát và anten phát, giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép nối với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ, được goi là FIDE. Anten phát có nhiệm vụ ngược trở lại, tiếp nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc, truyền theo fide đến máy thu. Anten thu chỉ truyền một phần năng lượng nhận được đến máy thu, còn một phần bức xạ trở lại vào không gian (bức xạ thứ cấp).
Yêu cầu của thiết bị anten – fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không làm méo dạng tín hiệu. Trong trường hợp tổng quát, Anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng, bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu (cho anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (cho anten thu). Một hệ thống đơn giản bao gồm: máy phát, máy thu, anten phát và anten thu. 3 Thieát keá vaø thi coâng anten Yagi Hệ thống Hệ thống Hệ thống Hệ thống cung cấp bức xạ cảm thụ gia cơng tín hiệu bức xạ tín hiệu Anten pht Anten thu Thiết bị My pht Thiết bị xử lý tin My thu điều chế Hệ thống pht Hệ thống thu Hình 1: Cấu trc chung của hệ thống anten 1.1 Sơ lược về hoạt động của hệ thống truyền hình trên Thiết bị điều chế: Điều chế là phép toán chuyển đổi tín hiệu mang tin tức này sang tín hiệu khác mà không làm thay đổi về nội dung tin tức mang theo.
Do tín hiệu ở đầu ra của bộ biến đổi tín hiệu có tần số thấp do đó không thể truyền đi xa vì hiệu suất truyền không cao. Vì vậy tín hiệu này phải đưa vào thiết bị điều chế để có thể bức xạ vào không gian dưới dạng sóng điện từ, để tín hiệu thích nghi với điều kiện của môi trường truyền ngay cả khi can nhiễu mà vẫn đảm bảo được chất lượng tín hiệu muốn truyền đi, cho phép trộm nhiều kênh thông tin trên một môi trường. Mức độ này tùy thuộc vào các loại điều chế khác nhau. Máy phát: Tín hiệu sau khi được điều chế sẽ được đưa đến máy phát.
Máy phát là một khối bao gồm các chức năng. Biến đổi tín hiệu điện thành dạng thuận lợi cho việc truyền xa có khả năng chống nhiễu cao và không làm méo dạng tín hiệu trong quá trình xử lý, đó chính là vấn đề cơ bản của điều chế tín hiệu. Ngoài ra để đảm bảo công xuất phát nó phải thực hiện khuếch đại tín hiệu điện. Sau đó tín hiệu điện được đưa đến anten phát để bức xạ tín hiệu điện thành sóng điện từ lan truyền trong không gian.
Tín hiệu sau khi phát được truyền qua kênh truyền để đến máy thu. Có 2 loại kênh truyền cơ bản là dây dẫn (cáp điện, cáp quang) và truyền trong không gian. Các kênh, 4 Thieát keá vaø thi coâng anten Yagi dây dẫn truyền trong thông tin điện thoại điện báo, truyền hình công nghiệp (truyền hình cáp). Các kênh không dây dùng trong phát thành truyền hình, thông tin vệ tinh, tuyền hình vệ tinh.
Vì vậy điều chế là một khâu rất quan trọng trong hệ thống phát thanh truyền hình,. Anten phát: Nhiệm vụ của anten phát là cộng hưởng với công suất RF của máy phát qua hệ thống dây dẫn sóng fide và bức xạ ra không gian, hiệu suất bức xạ mạnh hay yếu còn phụ thuộc vào nhiều vấn đề: - Độ lợi anten - Suy hao trên anten fidde - Hệ sống định hướng, tần số, độ cao… Trên máy thu thì ta có quá trình ngược lại.2 Vận tốc truyền sóng điện từ Năng lượng truyền sóng điện từ trong không gian với vận tốc ánh sáng (C = 3. Sự bức xạ năng lượng được đặc trưng bởi tần số hoạt động hoặc bước sóng của nó. Công thức sau biểu diễn mối quan hệ giữa tần số và bước sóng của sóng điện từ.
c f : bước sóng đơn vị là m f: tần số có đơn vị là Hz c: tốc độ ánh sáng 1.3 Phổ tần số vô tuyến Tần số là tốc độ thay đổi của dòng điện chạy trong dây dẫn được đo bằng đơn vị Hertz (Hz). Khái niệm tần số cũng được mở rộng cho các sóng vô tuyến trong không gian. Đó chính là tốc độ biến thiên của điện trường và từ trường. Khoảng tần số từ 10KHz tới tần số ánh sáng được gọi là phổ điện từ.
Tần số Quy định 10KHz – 30KHz Tần số rất thấp VLF 30KHz – 300KHz Tần số thấp LF 300KHz – 3MHz Tần số trung bình MF 5 Thieát keá vaø thi coâng anten Yagi 3MHz – 30MHz Tần số cao HF 30MHz – 300MHz Tần số rất cao VHF 300MHz – 3GHz Siêu cao tần UHF 3GHz – 30GHz Tan số siêu cao SHF 30GHz – 300GHz Tần số cực cao EHF Bảng 1.4 Phân loại sóng vô tuyến theo băng sóng và theo phương thức lan truyền Sóng cực dài: Sóng có bước sóng lớn hơn 10.000m (tần số thấp hơn 30Hz) Sóng dài: sóng có bước sóng từ 1000m đến 10.000m Sóng trung là sóng có bước sóng từ 100m đến 1000m (tần số từ 300kHz đến 3MHz) Sóng cực ngắn: là sóng có bước sóng từ 1mm đến 10m (tần số từ 300MHz đến 3GHz).5 Truyền sóng vô tuyến Các nguyên tắc bức xạ điện từ trong không gian được bắt nguồn từ lý thuyết về tính cảm ứng của trường điện từ. Đó là trước tiên trường từ biến thiên tạo ra trường điện biến thiên. Và sau đó trường điện biến thiên tạo ra trường từ biến thiên quá trình cứ lập đi lập lại như thế tạo thành sóng điện từ bao gồm hai thành phần trường điện (E) và trường từ (H), chúng phụ thuộc lẫn nhau. Các trường E và H luôn vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền của sóng điện từ.
Các thành phần E và H cùng pha về thời gian nhưng lệch pha về không gian 900.2 Phân cực anten Phân cực của anten là hướng của vecto điện trường theo phương bức xạ cực đại Anten có dipol vuông góc với mặt đất sẽ bức xạ sóng điện từ trường có phân cực đứng. Trong kỹ thuật truyền hình phần lớn là dùng anten có phân cực ngang vì nó có những ưu điểm sau: - Tín hiệu đến anten thu là tổng của vecto sóng trực tiếp và các sóng phản xạ 6 Thieát keá vaø thi coâng anten Yagi - Xác suất xuất hiện tín hiệu nhiễu dưới dạng tín hiệu phản xạ thì trường hợp anten dùng phân cực ngang xảy ra ít hơn phân cực đứng. - Giá trị cường độ điện trường tại 1 điểm thu, nếu dùng anten phân cực ngang sẽ lớn hơn 20% so với anten phân cực đứng, với cùng công suất máy phát. Anten phân cực ngang dễ thiết kế, dễ lắp đặt hơn và có hệ số tăng ích lớn hơn anten phân cực.3 Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị anten: Vì việc truyền sóng điện từ trong không gian tự do (vô tuyến) năng lượng sóng điện từ sẽ bị suy giảm rất nhiều.
Do đó yêu cầu của một thiết bị anten – fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất mà không bị méo dạng tín hiệu. Tùy theo ứng dụng mà yêu cầu cụ thể của một hệ thống anten có thể là: - Đảm bảo thiết bị thu có tỉ số S/N ở mức cao nhất để tăng độ tin cậy của thông tin truyền. - Đồ thị phương hướng hẹp để tăng khả năng phân giải mục tiêu, nâng cao độ chính xác (hệ thống định vị). - Giảm thiểu kích thước anten - Tăng khả năng điều chỉnh hướng tính.
- Tăng khả năng mở rộng giải tần công tác. Ngoài những yêu cầu về mặt năng lượng, khi khảo sát anten còn cần phải lưu ý đến một đặc tính quan trọng là dải thông tần, nghĩa là dải tần số mà trong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức xạ hay thu phổ tín hiệu mà không bị méo dạng. Tất cả những yêu cầu này phụ thuộc vào cấu hình anten cũng như việc thiết kế các hệ thống phụ trợ cho anten như: tiếp điện anten, phối hợp trở kháng, khuếch đại công suất, điều khiển phương hướng, v.4 Nội dung luận văn Mặc dù ngành kỹ thuật anten ngày càng phát triển, các loại anten mới lạ và phức tạp liên tục ra đời và bên cạnh đó, kỹ thuật truyền hình vệ tinh đã tiến những bước nhảy vọt. Nào là truyền hình vệ tinh, HDTV, truyền hình cáp tương tác… Có lẽ đến 7 Thieát keá vaø thi coâng anten Yagi một lúc nào đó những chiếc đũa thần của anten Yagi sẽ hết “thiêng”, người ta sẽ không cần dùng đến nó nữa, mà thay vào đó là những phương tiện nhỏ gọn hơn, hữu ích hơn.
Ngày đó sẽ đến, nhưng còn xa. Còn bây giờ, những chiếc đũa thần ấy, dù đã ra đời hơn nửa thế kỷ, Yagi anten đặc trưng bởi những chiếc đũa, vẫn mang đến cho ta bao nhiêu điều kỳ diệu. Nó vẫn hết sức cần thiết cho việc liên lạc không cần dùng đến nó nữa, mà thay vào đó là những phương tiện nhỏ gọn hơn, hữu ích hơn, ngày đó sẽ đến. Nhưng còn xa còn bây giờ.
Những chiếc đũa thần ấy, dù đã ra đời hơn nửa thế kỷ. Yagi anten đặc trưng bởi những chiếc đũa, vẫn mang đến cho ta bao nhiêu điều kỳ diệu. Nó vẫn hết sức cần thiết cho việc liên lạc không cần dùng dây dẫn. Việc bảo vệ vùng trời, vùng biển cũng không thể thiếu nó.
Còn đối với cả chúng ta, hàng ngày, nó vẫn giúp chúng ta thu nhận tín hiệu truyền hình mà trong thế giới hiện tại, những tín hiệu đó là một nhu yếu phẩm không thể nào thiếu được đối với mọi người. Với những ứng dụng đơn giản anten yagi có lợi thế rất lớn bởi cấu hình đơn giản, gọn nhẹ và dễ điều chỉnh.