Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD

Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 95 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Trong mỗi hệ thống anten thực tế dù lớn hay nhỏ đều được cấu tạo từ các phần tử anten cơ bản (anten lưỡng cực, anten vòng, anten roi…). Mỗi loại anten có một đặc tính bức xạ khác nhau (hệ số định hướng, góc nửa công suất, góc giữa các không đầu tiên…) để hiểu rõ bản chất của các anten cơ bản ta tiến hành khảo sát các đặc tính của các anten này dùng bộ thí nghiệm Antenna trainer ATS05 của AMITEC cùng với phần mềm AMITEC ANTENNA PLOTTING. 5.1. Giới thiệu ATS05 và phần mềm AMITEC ANTENNA PLOTTING 5.1.1. Bộ ATS05 Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 96 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.1 AMITEC TRAINER ATS 05 Hình 5.2 Bộ phát (transmitter) LCD Cho thấy tần số phát, dãy tần số hoạt động giới hạn là từ 86Mhz đến 860Mhz. Các tần số này được lưu trong các ô nhớ. Các bước nhảy thay đổi tần số lên xuống là: 50Khz, 100Khz, 250Khz, 500Khz, 1Mhz, 10Mhz và 100Mhz. Tần số hiển thị khi mở nguồn là tần số lưu trong ô nhớ trước khi tắt nguồn. UP Nút nhấn này dùng để tăng tần số theo bước nhảy đã được chọn. Ngoài ra nút này còn dùng để cuộn lên menu lựa chọn và vị trí ô nhớ. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 97 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD DOWN Nút nhấn này dùng để giảm tần số theo bước nhảy đã được chọn. Ngoài ra nút này còn dùng để cuộn xuống menu lựa chọn và vị trí ô nhớ. MENU Nút nhấn này dùng để lựa chọn chế độ làm việc cũng như là bước nhảy tần số từ 50Khz đến 100Mhz. ENTER Dùng để lưu các tần số riêng biệt tại các vị trí hiện thời của bộ nhớ. Và cũng được dùng để lựa chọn và lưu trữ lại các bước nhảy tần số và thiết lập truyền dữ liệu nối tiếp. ESCAPE Dùng để lưu các tần số riêng biệt tại các vị trí hiện thời của bộ nhớ. Và cũng được dùng để lựa chọn và lưu trữ lại các bước nhảy tần số và thiết lập truyền dữ liệu nối tiếp. FM/CW Công tắc gạt dùng để đo đạc anten khi các mức còn lại ở mức ổn định. FM dùng để điều tần tiếng nói trong thông tin với độ di tần giới hạn 100Khz. MIC/Int 1Khz Công tắc gạt dùng để lựa chọn tín hiệu điều chế được đưa vào từ microphone hoặc là tín hiệu sin 1Khz được phát ra từ bên trong. FM diviation Chiếc áp được dùng để thay đổi độ di tần của tín hiệu FM, khi xoay theo chiều kim đồng hồ sẽ làm tăng độ di tần và ngược lại. MIC Dùng để kết nối với microphone nhận tín hiệu tiếng nói vào để điều tần theo tần số sóng mang được hiển thị trên màn hình. MOD EXT IN Dùng để kết nối với các tín hiệu âm tần từ bên ngoài vào để điều tần theo sóng mang đã được tạo ra. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 98 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD RF OUT Tại đây tần số được phát theo tần số từ 86Mhz-860Mhz, trở kháng ngõ ra của nó là 50 Ohms. Anten phát được kết nối với ngõ ra này dùng các đầu nối BNC. Với mức ngõ ra khoảng 110 dBuV. HIGH LOW Lựa chọn hai chế độ, ở mức high mức tần số cao tần là 110dBuV. Ở mức low mức tần số cao tần là dưới 40dB Hình 5.3 Bộ thu (receiver) Các nút UP, DOWN, MENU, ENTER, ESCAPE có chức năng tương tự như ở phái phát. RF IN Tại đây tín hiệu được thu với dãy tần số từ 86-860Mhz. Trở kháng của nó là 50 ohms. RS 232 Dùng để truyền dữ liệu với máy tính thông qua cáp RS 232. Để truyền được dữ liệu thông qua cáp RS232 với máy tính ta cần ấm nút “MENU” nhiều lần đến khi hiện chế độ truyền dữ liệu nối tiếp chọn “yes”. Kết nối cáp RS2323 với máy tính mở giao diện phần mềm “AMITEC ANTENNA PLOTTING” lúc này xuất hiện hộp thoại yêu cầu chọn cổng kết nối. Ta chọn “Comport1” và bắt đầu quá trình truyền dữ liệu. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 99 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD HIGH LOW Ở mode “high” độ nhạy của máy thu là cực đại. ở mode “low” độ nhạy của máy thu xấp xỉ 40dB trở xuống. DOWN CONVERTER Tại ngõ ra này tín hiệu có tần số 39Mhz, có thể dùng để kết nối vào các máy phân tích phổ để xem điều chế FM và mức tín hiệu cao tần thu được. Khi tín hiệu thu được cao tần thu được giảm thì tần số này cũng giảm theo xu hướng của bộ thu. RSSI Là bộ chỉ báo độ mạnh của tín hiệu thu được. Điện áp ngõ ra tại DC tại đây tương ứng với mức của tín hiệu cao tần thu được. FM DEMODULATION Cho ra tín hiệu giải điều chế FM. Ta có thể nghe được tín hiệu giải điều chế này thông qua loa. VOLUME Điều chỉnh âm lượng của tín hiệu đã được giải điều chế. STEPPER IN Cáp “stepper” có công tắc tại đầu cuối của cáp có thể dùng để kết nối với ngõ vào. Điều chỉnh bộ thu ở chế độ “auto” ấn công tắc ứng với mỗi vị trí góc khác nhau bằng cách xoay anten để vẽ đồ thị của anten. Lúc này các thu được tại các vị trí góc khác nhau sẽ được lưu trong bộ nhớ. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 100 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD 5.1.2. Phần mềm AMITEC ANTENNA PLOTTING Hình 5.4 Giao diện chương trình Chương trình công suất theo dB và độ mạnh của trường theo hệ tọa độ cực. Hệ tọa độ cực được biểu diễn dạng cực hay dạng vuông, theo thang từ cực đại cho đến cực tiểu của 100dB. Thang của đồ thị có thể dạng logarit hay dạng tuyến tính. Mục đích chính của đồ thị cực là cho phép ta hiểu rõ hơn về các đặc tính của anten. Hình 5.5 Các giá trị mức của tín hiệu RF thu được tại các góc tương ứng của anten Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 101 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Ta có thể tùy chọn chế độ xem tương ứng với hệ tọa độ vuông hay hệ tọa độ cực theo thang tuyến tính hoặc log. Hình 5.6 Đồ thị theo hệ tọa độ vuông góc. Đồ thị dạng vuông góc rất có ích cho việc xem các búp phụ. 5.1.3. Phần mềm PCAAD PCAAD là một công cụ mô phỏng các đặc tính của anten giúp người dùng có thể khảo sát được các đặc tính như: tính hướng tính, hệ số định hướng của anten, độ lợi (hay độ tăng ích), tính bức xạ của anten… Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 102 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.7 Giao diện chương trình PCAAD Chương trình cho phép khảo sát các anten dây, anten mảng, anten có độ mở, các loại anten vi dải và các loại anten đường dây chữ T. Chương trình cho phép người khảo sát vẽ được các đồ thị trong các hệ tọa độ cực, hệ tọa độ vuông góc dạng 2-D và 3-D. Người khảo sát có thể khảo sát được các đặc tính trở kháng sóng và tỉ số sóng đứng và tính toán phối hợp trở kháng theo sơ đồ Smith. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 103 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.8 Hệ tọa độ cực Hình 5.9 Hệ tọa độ vuông góc Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 104 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.10 Đồ thị smith 5.2. Khảo sát các anten thực tế dùng ATS05 và phần mềm AMITEC ANTENNA PLOTTING 5.2.1 Các anten khảo sát Tên anten Hình ảnh thực tế Dipole Monopole Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 105 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Yagi 4el Patch anten Anten vòng vuông Chữ V Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 106 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Mảng Broadside Mảng Enfire Bảng 5.1 Các anten khảo sát. Chọn hệ trục cho anten khảo sát bằng bộ thí nghiệm ATS05 như sau: hệ tọa độ OXY song song với mặt phẳng nằm ngang, trục OZ vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. Khoảng cách giữa anten phát và anten thu khi khảo sát là 1m, độ cao của anten phát và anten thu so với bề mặt đặt giá để anten là 54cm. Tần số khảo sát là 0.6Ghz (600Mhz). 5.2.2 Anten dipole Ta tiến hành khảo sát anten dipole trong môi trường lí tưởng: Anten dipole là một anten bao gồm một phần tử bức xạ được chia thành 2 phần. Đối với dipole có chiều dài nhỏ hơn 2  , tổng trở của nó tạo ra bởi điện dung, điện trở bức xạ nhỏ, tổn hao ohmic lớn, độ rộng băng thông của tỉ số sóng đứng <1% so với tần số thiết kế, độ định hướng dBi8.1 . Đối với dipole có chiều dài xấp xỉ 2  , trở kháng của nó khoảng 40-80 Ohms, độ định hướng dBi1.2 , băng thông của tỉ số sóng đứng gần bằng 5% của tần thiết kế. Dipole có chiều dài lớn hơn 2  , lúc này trở kháng của anten thay đổi khoảng 150 đến 3000 Ohms hoặc hơn, khi đó đồ thị bức xạ của dipole trở nên phức tạp với các bức xạ phụ, độ định hướng của dipole đạt cực đại tại chiều dài 28.1 . Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 107 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.11 Các thông số của anten dipole mô phỏng Anten dipole có chiều dài 24cm, bán kính 0.5 cm với tần số phát là 600Mhz, tương ứng với tần số khảo sát trong bộ thí nghiệm ATS05. Ta xác định được một số các thông số đặc tính của anten như hình vẽ trên: trở kháng vào của anten là 79.7 + j13.8 Ohms. Độ lợi 2.1dB. Anten được đặt song song với trục OZ như hình 5.17 Hình 5.12 Bố trí anten dipole trong không gian Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 108 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.13 Đồ thị bức xạ của anten dipole trong hệ tọa độ cực Hình 5.14 Đồ thị hàm ARFAC trong hệ tọa độ cực Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 109 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Khảo sát dipole khi thay đổi chiều dài 4  ,  ta có được đồ thị bức xạ của dipole thay đổi như sau: Hình 5.15 Đồ thị bức xạ của dipole khi chiều dài là 4  Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 110 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.16 Đồ thị bức xạ của dipole khi chiều dài là  Ta thấy rằng khi thay đổi chiều dài của dipole thì góc nửa công suất (HPBW) giảm dần ứng với chiều dài 4  là 86.8 0 , 2  là 78.3 0 ,  là 44.6 0. Khi tăng chiều dài lúc này hệ số định hướng của anten tăng nhưng đến chiều dài hơn  thì đồ thị bức xạ sẽ bắt đầu xuất hiện các búp phụ. Hạn chế phần mềm PCAAD trong điểm này là không thể tăng chiều dài dipole lớn hơn  để khảo sát. Trong thực tế ta tiến hành khảo sát dipole có chiều dài 2  (24cm), tần số khảo sát là 600Mhz, khoảng cách anten phát và anten thu là 1m. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 111 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.17 Anten dipole thu và anten yagi 4 phần tử phát. Đặt anten dipole trên giá 3 chân song song với hệ trục nằm ngang, xoay anten phát yagi 4 phần tử ứng với mỗi bước nhảy 50 ta có được đồ thị bức xạ của anten thu được: Hình 5.18 Dạng đồ thị bức xạ của anten dipole trong hệ tọa độ cực Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 112 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.19 Đồ thị bức xạ đo của dipole vẽ theo thang log Từ đồ thị trên ta xác định được: Độ lợi cực đại của anten thu là: 47.4000001dB. Trên đồ thị vòng tròn màu đỏ ứng với vị trí mà công suất giảm đi -3dB. Từ đây ta xác định được góc nửa công suất (HPBW) là 570 (ứng với vị trí chấm tròn màu đỏ đến chấm tròn màu xanh trên đồ thị hoặc ta có thể quan sát được kết quả từ khung “cursor measurement” trên giao diện phần mềm.). Góc giữa các không đầu tiên (BWFN) tương ứng là: 1330 tương ứng với hình sau: Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 113 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.20 Góc giữa các giá trị không đầu tiên Hình 5.21 Tỉ số trước sau (FBR) Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 114 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Tương ứng trên hình ta có tỉ số trước sau (FBR) là 4.43 dB. Hình 5.22 Đồ thị bức xạ của anten dipole theo thang log trong hệ tọa độ vuông góc 5.2.3 Anten monopole Tương tự như anten dipole, anten monopole có đồ thị bức xạ vô hướng, cường độ bức xạ bằng nhau theo phương ngang nhưng thay đổi theo chiều dọc. Do hạn chế của phần mềm PCAAD nên chúng ta không có được kết quả khảo sát anten monopole trong môi trường lí tưởng, ta chỉ khảo sát trong môi tường thực tế. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 115 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.23 Anten monopole trong không gian khảo sát. Hình 5.24 Đồ thị bức xạ của anten monopole Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 116 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.25 Đồ thị bức xạ đo được trong thang tuyến tính hệ tọa độ vuông góc. Hình 5.26 Các giá trị độ lợi đo được tại các góc quay anten khác nhau Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 117 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD 5.2.4 Anten yagi Anten yagi-uda là một hệ thống bức xạ gồm một số phần tử dipole thẳng như sau: Một phần tử được cấp điện trực tiếp bằng đường dây truyền dẫn gọi là Driven (phần tử được cấp điện), còn các phần tử còn lại được gọi là các bộ bức xạ ký sinh mà dòng của nó được cảm ứng bằng cách ghép tương hỗ, thông thường phần tử được cấp điện của yagi là dipole bẻ vòng nhưng trong thí nghiệm này phần tử được cấp điện được dùng là dipole thẳng. Bộ bức xạ này được thiết kế để hoạt động như là hệ thống bức xạ trục, các phần tử kí sinh theo chiều bức xạ thuận là các thanh hướng xạ, theo chiều ngược lại gọi là thanh phản xạ. Tiến hành khảo sát anten yagi bằng phần mềm PCAAD: Hình 5.27 Các thông số của anten yagi 4 phần tử khảo sát trong phần mềm PCAAD. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 118 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.28 Bố trí anten yagi trong mặt phẳng khảo sát. Anten được đặt song song với trục OZ trong hệ tọa độ. Hình 5.29 Đồ thị bức xạ của anten yagi khảo sát bằng PCAAD. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 119 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.30 Đồ thị bức xạ dạng 3-D của anten yagi 4 phần tử. Hình 5.31 Đồ thị hàm ARFAC của anten yagi 4 phần tử. Từ các đồ thị thu được khảo khi khảo sát anten yagi 4 phần tử ta thu được giá trị các thông số của anten như sau: góc nữa công suất HPBW là 46.60. Tỉ số trước sau FBR là Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 120 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD 5.1dB, độ lợi anten (hay độ tăng ích) là 5.8 dB. Trở kháng sóng của anten là 110.7 +j 106.6 Ohms. Khảo sát anten yagi khi thay đổi các thông số của anten ta có được kết luận như sau: Chiều dài và đường kính của các phần tử cùng với khoảng cách giữa các phần tử xác định đặc tính của của anten. Kích thước và đường kính của driven hay phần tử được cấp điện (dipole feed) có ảnh hưởng nhỏ đến độ lợi hướng búp chính nhưng có ảnh hưởng đáng kể đến trở kháng ngõ vào và độ lợi của bức xạ ngược. Kích thước và khoảng cách của phần tử phản xạ có ảnh hưởng tương tự như driven đối với các thông số độ lợi hướng búp chính, trở kháng vào và độ lợi bức xạ ngược. Các phần tử dẫn xạ là phần quan trọng nhất trong việc thiết kế yagi, nó điều khiển trở kháng ngõ vào, các mức bức xạ phụ và tỉ số trước sau của anten. Thông thường driven có kích thước nhỏ hơn 2  . Chiều dài các phần tử dẫn xạ thường nằm trong giới hạn từ 0.4 đến 0.45  , nhưng các phần tử dẫn xạ không nhất thiết phải cùng chiều dài hoặc đường kính. Khoảng cách giữa các phần tử dẫn xạ: 0.3 đến 0.4  . Khoảng cách giữa các phần tử dẫn xạ không nhất thiết phải bằng nhau. Khoảng cách giữa phần tử dẫn xạ và phần tử phản xạ: 0.4  . Khảo sát anten yagi trong thực tế: anten yagi 4 phần tử gồm, một thanh phản xạ chiều dài 26cm, một thanh driven chiều dài 24cm, và hai thanh hướng xạ chiều dài lần lượt là 22cm và 20cm. Do hạn chế của thiết bị nên ta không thể tiến hành thay đổi các thông số để kiểm tra so với môi trường lí tưởng. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 121 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.32 Bố trí anten yagi để khảo sát. Hình 5.33 Đồ thị bức xạ của anten yagi 4 phần tử ở thang log Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 122 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Từ kết quả trên hình vẽ ta có được góc nửa công suất HPBW là 270. Hình 5.34 Tỉ số trước sau (FBR) của anten yagi 4 phần tử Từ kết quả trên hình vẽ ta có tỉ số trước sau của anten yagi 4 phần tử là 21.9 dB. Hình 5.35 Góc giữa các không đầu tiên (BWFN) Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 123 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.36 Đồ thị bức xạ đo ở thang tuyến tính trong hệ tọa độ vuông góc Từ đồ thị ở thang tuyến tính ta xác định được giá trị cực đại của các búp phụ tương ứng là 28.9dB tại 910 và 27.76dB tại 2950. Từ hình vẽ ta xác định được giá trị giữa các không đầu tiên (BWFN) là 1050. 5.2.5 Patch anten Patch anten là một loại anten thông dụng thường được thấy dưới dạng được bọc trong một vòm bọc anten bằng nhựa, là một loại anten vi dải vuông. Thông thường một anten vá (patch) được xây dựng trên một nền điện môi. Trong thực tế việc chế tạo anten vi dải đơn giản, chi phí sản xuất thấp mà anten lại có kích thước nhỏ, bề dày mỏng, lại có khả năng phân cực tuyến tính và cấp nguồn khá đơn giản. Tuy nhiên, anten vi dải lại có băng thông hẹp, độ lợi thấp và chỉ bức xạ trong nửa không gian trên mặt đất. Có nhiều cách cấp nguồn cho anten vi dải nhưng trong phần khảo sát này ta khảo sát phương pháp cấp nguồn bằng probe đồng trục. Thông thường băng thông của anten vi dải được xác định trong vùng tần số mà tỉ số sóng đứng điện áp nhỏ hơn 2 (hay tổn hao ngược nhỏ hơn -10dB). Đối với các ứng dụng đặc biệt tỉ số sóng đứng điện áp nhỏ hơn 1.5 (tổn hao ngược nhỏ hơn -14dB). Độ định hướng của anten vi dải được tính như sau: Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 124 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD radP U U U D max 0 max 0 4  Với      d Wk V Prad 3 0 0 0 2 0 sin cos cos 2 sin 2                     Dựa vào anten patch trong thực tế tại phòng thí nghiệm ta tiến hành khảo sát với các thông số anten cấp nguồn bằng probe đồng trục, chiều dài miếng vá là 11cm, chiều rộng của miếng vá là 9cm, độ dài của miếng lót là 0.1cm, hằng số điện môi được chọn bằng 5 (đối với chất liệu maica, nhựa). Hình 5.37 Các thông số của anten patch khảo sát bằng PCAAD. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 125 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.38 Đồ thị bức xạ dạng 2-D của anten patch. Hình 5.39 Đồ thị hàm ARFAC của anten patch. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 126 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.40 Đồ thị bức xạ dạng 3-D của anten patch. Thay đổi các thông số của anten patch ta nhận được kết quả: Khi giữ nguyên các thông số và tăng chiều dài ta nhận thấy rằng tần số cộng hưởng và công suất giảm rất nhanh trong khi đó độ đinh hướng giảm nhưng chậm, xem như không đáng kể so với chiều dài và trở kháng són của anten tăng rất lớn, độ rộng băng thông tăng nhưng không nhiều. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 127 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.41 Thay đổi chiều dài của anten patch. Trường hợp tăng độ rộng và giữ nguyên các thông số còn lại rút ra được nhận xét như sau: khi tăng độ rộng từ anten đang khảo sát trên bộ ATS05 là 9cm thấy rằng tần số cộng hưởng giảm nhưng rất chậm khi tăng chiều rộng lên đến 55cm thì thì tần số cộng hưởng lại tăng, trở kháng sóng giảm rất nhanh khi tăng chiều rộng đến 63cm thì trở kháng sóng bắt đầu âm. Trong quá trình tăng chiều rộng thì hiệu suất cũng tăng nhưng khi tăng đến 44cm thì công suất lại bắt đầu giảm. Tương tự, độ rộng băng thông khi bắt đầu tăng chiều rộng thì tăng nhưng khi chiều rộng là lớn hơn 55cm thì lúc này độ rộng băng thông giảm. Hình 5.42 Thay đổi thông số chiều rộng của patch anten. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 128 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Khảo sát anten patch trong thực tế: Hình 5.43 Sắp xếp anten patch trong không gian khảo sát. Hình 5.44 Đồ thị bức xạ thu được của anten patch trong hệ tọa độ cực. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 129 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.45 Đồ thị bức xạ của anten patch thu được trong thang tọa độ tuyến tính. Hình 5.46 Các giá trị độ lợi của anten patch thu được tại các góc quay khác nhau. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 130 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD 5.2.6 Anten vòng vuông Hình 5.47 Anten vòng vuông trong không gian khảo sát. Hình 5.48 Đồ thị bức xạ của anten vòng vuông. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 131 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.49 Đồ thị bức xạ đo được trong hệ tọa độ vuông góc Từ đồ thị bức xạ thu được của anten vòng vuông ta xác định được các thông số của anten vòng vuông: Đồ thị bức xạ của anten vòng vuông như hình trên gồm 2 búp. Độ lợi lớn nhất đo được là 43.29dB, độ rộng nửa công suất của anten vòng vuông là 580. Độ rộng giữa các không đầu tiên là 1310, tỉ số trước sau (FBR): 30.71dB. 5.2.7 Anten hình chữ V Tiến hành khảo sát anten chữ V với các thông số từ anten thực tế trong bộ thí nghiệm bằng phần mềm PCAAD. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 132 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.50 Các kích thước và thông số anten mô phỏng. Hình 5.51 Bố trí anten trong không gian khảo sát. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 133 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.52 Đồ thị bức xạ của anten chữ V dạng 2-D. Hình 5.53 Đồ thị bức xạ dạng 3-D của anten chữ V. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 134 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.54 Đồ thị hàm ARFAC của anten chữ V. Anten chữ V khảo sát có các thông số như sau: chiều dài của anten là 24cm với góc mở là 50 0 , bán kính anten là 0.5cm. Ta có được kết: trở kháng vào của anten là 146.8-j471 Ohms. Độ lợi của anten là 2.6dB. Độ rộng góc tại giá trị 3dB là 79.10. Hình 5.55 Đồ thị bức xạ dạng 2-D của anten chữ V thu được sau khi tăng chiều dài. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 135 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Khi tăng chiều dài của anten lúc này ta thu được đồ thị bức xạ như trên. Góc tại giá trị 3dB là 73.5 0 . Và độ lợi của anten lúc này là 3.0dB. Trở kháng vào của anten là 98.1- j396.7Ohms. Hình 5.56 Đồ thị bức xạ thu được khi góc giữa hai nhánh là 1750 Khi tăng độ rộng góc giữa hai nhánh của anten ta có kết quả như sau: trở kháng vào của anten tăng, độ lợi của anten tăng. Nhưng độ rộng góc tại 3dB giảm. Khi góc giữa hai nhánh của anten dần đến 1800 thì đồ thị bức xạ của anten chữ V dần tiến về dạng đồ thị bức xạ của anten dipole. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 136 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.57 Đặt anten chữ V trong không gian khảo sát. Hình 5.58 Đồ thị bức xạ của anten chữ V trong hệ tọa độ cực. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 137 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Độ lợi lớn nhất thu được là 42.4dB tại 2980. Hình 5.59 Đồ thị bức xạ của anten chữ V đo ở thang tuyến tính. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 138 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.60 Các độ lợi đo được khi xoay anten. 5.2.8 Mảng broadside Theo lý thuyết đã học, qui luật chung cho anten mảng độ rộng búp sóng chính chính tỉ lệ nghịch với chiều dài của anten. Ta có đồ thị hàm ARFAC dạng chuẩn hóa có dạng sau: )2sin( )2sin( )(   N N ARFAC n  Với 0cos kkd   (dạng tổng quát của  ) trong đó, d là khoảng cách giữa các phần tử. Trong đồ thị hàm ARFAC, cực đại xuất hiện tại 0 . Hàm có chu kỳ là 2 , đối xứng qua   . Hàm có N-2 búp phụ với độ rộng N2 , có N-1 điểm không. Trong hệ thống broadside bức xạ lưới xuất hiện khi        N d 1 1 . Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 139 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Tiến hành khảo sát mảng broadside bằng phần mềm PCAAD, với các thông số mảng 2 phần tử, khoảng cách các phần tử là 25cm, biên độ đồng nhất, pha bằng nhau và bằng không (tức là dòng kích thích bằng nhau) Hình 5.61 Các thông số của mảng broadside khảo sát. Hình 5.62 Đồ thị bức xạ mảng broadside dạng 2-D. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 140 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.63 Đồ thị bức xạ mảng broadside dạng 3-D. Hình 5.64 Đồ thị hàm ARFAC của mảng broadside. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 141 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Khảo xác đặc tính của mảng broadside khi ta giữ cố định các thông số và thay đổi số lượng phần tử trong mảng: Hình 5.65 Số phần tử mảng là 3 phần tử. Hình 5.66 Đồ thị hàm ARFAC mảng broadside 3 phần tử. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 142 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.67 Đồ thị bức xạ mảng broadside 3 phần tử trong hệ tọa độ cực. Khi tăng số phần tử anten là 3 phần tử ta nhận được độ định hướng của mảng là 4.8dB và độ lớn của HPPW là 36.120. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 143 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.68 Số phần tử mảng là 4 phần tử. Hình 5.69 Đồ thị hàm ARFAC của mảng broadside 4 phần tử. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 144 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.70 Đồ thị bức xạ mảng broadside 4 phần tử trong hệ tọa độ cực. Khi tăng số phần tử của mảng là 4 ta có được độ định hướng của mảng là 6dB và độ lớn của HPPW là 26.270. Hình 5.71 Số phần tử mảng là 5 phần tử. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 145 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.72 Đồ thị hàm ARFAC của mảng broadside 5 phần tử. Hình 5.73 Đồ thị bức xạ mảng broadside 5 phần tử trong hệ tọa độ cực. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 146 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Khi tăng số phần tử anten là 5 phần tử ta nhận được độ định hướng của mảng là 7dB và độ lớn của HPBW là 20.710. Khảo xác đặc tính của mảng broadside khi ta giữ cố định các thông số và thay đổi khoảng cách giữa các phần tử trong mảng, với khoảng cách tương ứng là  d (với d là khoảng cách giữa các phần tử và  là bước sóng) bằng:  , 2 3 , 2 , 2 5 . Hình 5.74 Khoảng cách giữa các phần tử mảng là 50cm. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 147 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.75 Đồ thị hàm ARFAC khi khoảng cách giữa các phần tử mảng là 50cm. Hình 5.76 Đồ thị bức xạ khi khoảng cách giữa các phần tử mảng là 50cm. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 148 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.77 Khoảng cách giữa các phần tử mảng là 75cm. Hình 5.78 Đồ thị hàm ARFAC khi khoảng cách giữa các phần tử mảng là 75cm. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 149 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.79 Đồ thị bức xạ khi khoảng cách giữa các phần tử mảng là 75cm. Hình 5.80 Khoảng cách giữa các phần tử mảng là 100cm. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 150 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.81 Đồ thị hàm ARFAC khi khoảng cách giữa các phần tử mảng là 100cm. Hình 5.82 Đồ thị bức xạ khi khoảng cách giữa các phần tử mảng là 100cm. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 151 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.83 Khoảng cách giữa các phần tử mảng là 125cm. Hình 5.84 Đồ thị hàm ARFAC khi khoảng cách giữa các phần tử mảng là 125cm. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 152 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.85 Đồ thị bức xạ khi khoảng cách giữa các phần tử mảng là 125cm. Nhận xét: đúng như lý thuyết đã được học, mảng broadside cho chùm bức xạ chính vuông góc với trục của hệ thống, khi giữ khoảng cách giữa các phần tử mảng không đổi tăng số phần tử mảng lúc này độ rộng của chùm bức xạ chính giảm và số bức xạ phụ tăng. Khi giữ nguyên số phần tử mảng, tăng khoảng cách giữa các phần tử đến giá trị khoảng cách giữa các phần tử lớn hơn bước sóng thì sẽ xuất hiện các bức xạ phụ có biên độ bằng với biên độ của bức xạ chính, các bức xạ phụ này hay còn gọi là bức xạ lưới làm cho hệ thống khó kiểm soát. Khảo sát mảng Broadside 2 phần tử trong thực tế: Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 153 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.86 Mảng broadside 2 phần tử. Hình 5.87 Đồ thị bức xạ mảng broadside. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 154 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.88 Đồ thị bức xạ mảng broadside trong hệ tọa độ vuông góc. Khảo sát ở tần số 600Mhz, khoảng cách giữa anten phát và anten thu là 1m. Mảng broadside hai phần tử với độ dài mỗi phần tử là 24cm, khoảng cách giữa các phần tử là 25cm. Ta có được kết quả như trên, độ lợi lớn nhất thu được là 40.59dB, góc nửa công suất là 460, tỉ số trước sau 30.64dB, góc giữa các không đầu tiên là 1280. Do hạn chế của phần cứng nên người khảo sát không thể thay đổi được các thông số để kiểm tra như trong phần mềm PCAAD. 5.2.9 Mảng enfire Tương tự như mảng broadside, các thông số mảng enfire không có nhiều khác biệt. Trong mảng enfire chùm chính tương ứng với 00  và điều kiện đầu tiên cho thiết kế hệ thống sắp xếp là Kdk 0 . Do hạn chế của phần mềm PCAAD nên chúng ta chỉ khảo sát được hệ thống enfire trong thực tế. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 155 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.89 Mảng enfire trong hệ thống khảo sát. Hình 5.90 Đồ thị bức xạ của mảng anten enfire Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 156 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Hình 5.91 Đồ thị bức xạ trong hệ tọa độ vuông góc Độ lợi lớn nhất của mảng enfire đo được là 30.5dB, góc nửa công suất là 5.410. Mảng enfire được khảo sát hai phần tử, độ dài của môi phần tử mảng là 24cm, khoảng cách giữa hai phần tử mảng là 25cm. Ta có, theo lý thuyết đồ thị bức xạ của mảng enfire có dạng “bút chì” dọc theo trục của hệ thống. Tương tự như đặc tính của mảng broadside, mảng enfire khi tăng khoảng cách giữa các phần tử làm độ rộng chùm chính giảm, đồng thời số búp phụ tăng. Khi khoảng cách giữa các phần tử lớn lúc này các bức xạ ngược xuất hiện. Hệ thống enfire chia làm hai loại Với enfire loại 1 thỏa điều kiện        N d 1 1 2  , với N là số phần tử mảng. Hệ thống enfire lọa 2 thỏa điều kiện        N d 2 1 1 2  , với N là số phần tử mảng. 5.3. Nhận xét Phần mềm PCAAD () cho phép ta vẽ các đồ thị bức xạ dạng 2-D và đặc biệt là mô phỏng dạng 3-D giống như môi trường thực. Phần mềm được thiết kế với giao diện rất thuận tiện và trực quan giúp người dùng dễ dàng mô phỏng từng loại anten. PCAAD có thể được xem như là một phòng thí nghiệm nhỏ giúp cho người học khảo sát các đặc Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 157 Chương 5 Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD tính của anten và rất hữu ích cho các kỹ sư chuyên ngành anten thiết kế theo các đặc tính mong muốn. Tuy nhiên, phần mềm còn một số hạn chế, môi trường khảo sát anten là lý tưởng nên trong việc thiết kế khi đưa ra thực tế sẽ cần phải hiệu chỉnh lại một số thông số của anten. Chẳng hạn trong khảo sát anten thực tế bằng bộ thí nghiệm ATS05 so với bằng phần mềm PCAAD với cùng một thông số của anten và cùng một tần số khảo sát, nhưng trong môi trường thực tế do ảnh hưởng của các tác động không mong muốn làm thay đổi một số đặc tính của anten, nên kết quả đo thực tế có phần khác so với khảo sát trong môi trường lí tưởng. Phần mềm PCAAD hiện nay trên thị trường đã có bản 6.0 có nhiều thư viện anten hơn và hỗ trợ nhiều tính năng hơn. PCAAD là phần mềm tính phí.