đề tài tốt nghiệp thiết kế ăngten mạch dải

đề tài tốt nghiệp thiết kế angten mạch dải

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay chúng ta đang sống trong thời kì đất nước đi lên hiện đại hoá – công nghiệp hoá. Thời kì của khoa học kĩ thuật phát triển như vũ bão, thời kì của sự giao lưu mọi mặt trong mọi lĩnh vực của các quốc gia trên thế giới với nhau vì vậy chúng ta cần tiếp cận và sử dụng thông tin có giá trị về mặt thời gian và có chất lượng. Sức cạnh tranh của các ngành công nghiệp bắt nguồn từ việc tái tạo các giá trị và sản phẩm lớn hơn, trong đó việc thông tin liên lạc đóng vai trò cốt lõi cho sự phát triển của xã hội. Hiện nay thông tin đã xuất hiện nhiều hình thức và phương tiện, song thông tin vô tuyến điện luôn giữ vai trò quan trọng. Trong đó ăngten là một thiết bị không thể thiếu đối với bất kì hệ thống thông tin vô tuyến điện nào. Ăngten là một thiết bị bức xạ sóng điện từ hoặc thu sóng điện từ từ không gian bên ngoài. Ăngten được mắc trực tiếp hoặc gián tiếp với phide mạch ra của máy phát hoặc mạch vào của máy thu. Được sử dụng vào các mục đích khác nhau như thông tin chuyển tiếp radar, vô tuyến điều khiển yêu cầu ăngten có tính định hướng cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian. Đối với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì ăngten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất). Trong những năm gần đõy, ăngten mạch dải được tập trung nghiên cứu nhiều và đã đạt được nhiều thành tựu cả trong công nghệ và thực tiễn, nhất là trong lĩnh vực thông tin vô tuyến di dộng, thông tin vô tuyến mạng cục bộ WLAN ở dải siêu cao tần. Và ăngten mạch dải tỏ ra là một loại ăngten có nhiều tiện lợi và hiệu quả. Xuất phát từ yêu cầu thực tế kĩ thuật và hướng dẫn của thầy Đại tá – Tiến sĩ HOÀN ĐèNH THUYấN chọn đề tài đồ án: “Thiết kế ăngten mạch dải”. Mục đích nghiên cứu của đồ án là nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình tính toán ăngten mạch dải, trên cơ sở đó tính toán các đặc trưng và tham số của ăngten. Cao Thành Trung_ĐTVT K11 1 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô ở khoa Vô tuyến điện tử, đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy Đại tá – Tiến sĩ HOÀNG ĐèNH THUYấN em đã hoàn thành đồ án này. Qua đây em xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở khoa Vô tuyến điện tử, cảm ơn thầy Đại tá – Tiến sĩ Hoàng Đỡnh Thuyờn đó chỉ bảo và hướng dẫn tận tình em trong quá trình học tập tại trường và trong quá trình làm đồ án. Sau đây em xin trình bày nội dung đồ án này. Cao Thành Trung_ĐTVT K11 2 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải PHẦN I ĐẶC TRƯNG VÀ THAM SỐ CỦA ĂNGTEN Ăngten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài. Ăngten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kì hệ thống vô tuyến điện nào bởi vì trong hệ thống vô tuyến điện có sử dụng sóng điện từ. Một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản gồm máy phát, máy thu, ăngten phát và ăngten thu. Hình dưới mô tả sơ đồ khối của hệ thống thông tin vô tuyến một chiều: a. Hệ thống phát b. Hệ thống thu Theo hình vẽ dao động điện từ đã được điều chế do máy phát tạo ra truyền tới ăngten phát. Ăngten phát sẽ biến đổi năng lượng của dao động điện từ dưới dạng sóng liên kết thành năng lượng sóng điện từ tự do và bức xạ vào không gian theo hướng tới máy thu. Một phần năng lượng này sẽ tới ăngten thu của hệ thống thu va được biến đổi thành năng lượng của dao động điện từ xuất hiện trong ăngten thu. Dao động điện từ này được đưa tới máy thu. Trên hình vẽ sau mô tả sơ đồ khối của Radar. Trong trường hợp này sóng điện từ phát xạ bởi ăngten phát 2 truyền trong một chum tia hẹp tới mục tiêu 3 Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Ăngten phát Hệ thống cung cấp tín hiệu Hệ thống bức xạ Máy phát Thiết bị điều chế Ăng ten thu 3 Hệ thống cảm thụ bức xạ Hệ thống gia công tín hiệu Máy thu Thiết bị xử lý Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Một phần năng lượng của sóng phản xạ từ mục tiêu quay trở lại ăngten thu 4(đặt gần ăngten phát) kích thích trong ăngten thu một dao động điện từ và được đưa tới lối vào của máy thu 5. Từ những mô hình trên ta có thể định nghĩa như sau: - Ăngten phát là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng của dao động điện từ liên kết từ máy phát đưa tới thành năng lượng của sóng điện từ tự do và phát xạ vào không gian theo một quy luật xác định. - Ăngten thu là thiết bị dùng để thu năng lượng của sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài tới theo một quy luật xác định và biến đổi năng lượng này thành năng lượng của dao động liên kết trong ăngten va cung cấp cho máy thu. Như vậy ăngten phát cũng như thu đều có quá trình biến đổi năng lượng. Trong quá trình đú cú sự tổn hao nhiệt do kim loại làm ăngten cũng như các chất điện môi cách điện không phải là lý tưởng. Ngoài ra ta còn thấy rằng khi phát cũng như thu ăngten phải có tính định hướng xác định phù hợp với yêu cầu của hệ thống vô tuyến đó. Ăngten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, vô tuyến điều khiển từ xa,… Mặt khác để kích thích sóng điện từ trong các hệ thống định hướng như ống dẫn sóng, hốc cộng hưởng,… người ta cũng dựng cỏc kết cấu tương tự ăngten. Ngày nay, sự phát triển kĩ thuật trong các lĩnh vực radar, thông tin, điều khiển,… cũng đòi hỏi ăngten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Tất cả các chỉ tiêu kĩ thuật của ăngten có thể chia thành 2 nhóm phù hợp với 2 nhiệm vụ cơ bản của ăngten: - Biến đổi sóng điện từ liên kết thành sóng điện từ tự do phát xạ vào không gian và ngược lại. - Phát xạ có hướng hay thu có hướng sóng điện từ Cao Thành Trung_ĐTVT K11 4 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Toàn bộ các bài toán xác định các chỉ tiêu kĩ thuật(cỏc tham số và đặc trưng) của ăngten có thể được chia làm 2 nhóm: - Nhóm 1: gồm các bài toán tính trường trong vùng gần, việc giải bài toán này cho phép xác định các chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi của ăngten như: trở vào, hiệu suất, dải tần công tác, công suất cực đại cho phép. - Nhóm 2: gồm các bài toán tính trường trong vùng xa. Việc giải bài toán này ta có thể xác định được những chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính định hướng của ăngten và trường của ăngten trong vùng xa như: đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực, hệ số tác dụng định hướng, công suất bức xạ. Ta có thể hiểu vùng xa của ăngten là vùng không gian bao gồm các điểm cách đủ xa ăngten sao cho tại đó chỉ tồn tại sóng tự do bức xạ từ ăngten ra phía vô cực. Tại vùng này không tồn tại năng lượng vụ cụng liên kết với ăngten, phần năng lượng này chỉ định vị trong vùng gần ăngten. Giả sử ăngten có kích thước là chiều dài L, khi đó một điểm cách ăngten một khoảng r được xem là thuộc vùng xa thì phải thoả mãn điều kiện: r ằ λ và r ằ Ở đây: r _ khoảng cách đến điểm quan sát λ _ bước sóng 1.1. Đặc trưng hướng của ăngten 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 tuỳ ý trong vùng xa có thể viết dưới dạng sau: Ё = f .e j .e -jkr (1.1) Trong đó: r, θ, φ là các toạ độ của điểm quan sát trong hệ toạ độ hình cầu: hình 1. Cao Thành Trung_ĐTVT K11 5 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải k = là số sóng I A là biên độ dòng tại một điểm nào đó trên ăngten f(θ,φ).e j (θ,φ) = (θ,φ) là một hàm phức phụ thuộc vào cấu trúc của ăngten; (θ,φ) là pha của trường. Hình 1. Đặc trưng hướng của ăngten Định nghĩa: Hàm f(θ,φ), tức mô đun của hàm (θ,φ) xác định sự phụ thuộc của biên độ cường độ trường của ăngten tại các điểm nằm trong vùng xa và cách đều ăngten vào hướng quan sát được gọi là đặc trưng hướng của ăngten. Biểu diễn hình học của đặc trưng hướng trong không gian của ăngten là một mặt cầu kín do đầu mút của bán kính vectơ trong hệ toạ độ cầu vẽ nên. Bán kính vectơ cú mụdun tỉ lệ với biên độ cường độ điện trường. Trong thực tế thường gặp các đặc trưng hướng có dạng đặc biệt như: - Đặc trưng hướng có dạng hình xuyến (hình 2.a) - Đặc trưng hướng có dạng hình kim (hình 2.b) - Đặc trưng hướng có dạng hình quạt (hình 2.c) - Đặc trưng hướng có dạng hình cosecant (hình 2.d) Cao Thành Trung_ĐTVT K11 6 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Hình 2. Một số dạng đặc trưng hướng Trường hợp ăngten phát sóng phân cực elip có thể biểu diễn dưới dạng tổng của 2 trường phân cực tuyến tính. Các vectơ điện của 2 trường này E θ . và E φ . vuông góc nhau va lệch pha nhau một góc δ. Do đó đối với các ăngten phân cực elip ta phải phân biệt đặc trưng hướng theo thành phần θ và thành phần φ: f θ (θ,φ) và f φ (θ,φ) Để dễ dàng so sánh tính định hướng giữa các ăngten khác nhau, người ta đưa vào khái niệm đặc trưng hướng chuẩn hoá. Đó là tỉ số giữa giá trị của đặc trưng hướng f(θ,φ) theo hướng bất kì với giá trị cực đại f max của nó. F(θ,φ) = (1.2) *) Các phương pháp mô tả đặc trưng hướng: - Đặc trưng hướng không gian (biểu diễn không gian của hàm f(θ,φ)) không tiện cho việc mô tả tính định hướng của ăngten, vì thế người ta thường dùng phương pháp mô tả đặc trưng hướng trên mặt phẳng. Ta gọi giao tuyến của đặc trưng hướng không gian với các mặt phẳng đi qua hướng phát xạ cực đại là đặc trưng hướng phẳng (hay giản đồ hướng). Từ nay nói tới đặc trưng hướng ta sẽ hiểu đó là đặc trưng hướng phẳng. Người ta thường mô tả đặc trưng hướng trong 2 mặt phẳng vuông góc (hình 1.3) Hình 1.3 Hình 1.4 Cao Thành Trung_ĐTVT K11 7 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại và chứa vectơ gọi là mặt phẳng E Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại và chứa vectơ gọi là mặt phẳng H Có thể vẽ đặc trưng hướng trong toạ độ cực hoặc toạ độ vuông góc. Đặc trưng hướng vẽ trong toạ độ cực cho ta thấy được tính định hướng của ăngten một cách trực quan nhất, còn đặc trưng hướng trong toạ độ vuông góc có thể biểu diễn chính xác hơn. Thông thường đặc trưng hướng có một số cực đại, ta nói đặc trưng hướng có nhiều cỏnh súng (hỡnh 1.4). Cỏnh cú hướng phát xạ cực đại với cường độ lớn nhất gọi là cỏnh chớnh, cỏc cỏnh còn lại gọi là cánh phụ (hoặc cánh bến). Nếu cánh phụ có cực đại ngược chiều với cỏnh chớnh gọi là cỏnh súng sau. Ngoài đặc trưng hướng theo cường độ trường, người ta cũn dựng đặc trưng hướng tính theo công suất F p (θ,φ). Hàm F p (θ,φ) mô tả sự phụ thuộc của mật độ dòng công suất tại các điểm cách đều ăngten vào hướng quan sát (hình 1.5a) Hình 1.5. Đặc trưng hướng theo decibel Cao Thành Trung_ĐTVT K11 8 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Vì mật độ dòng công suất tỉ lệ với bình phương của cường độ điện trường nên: F p (θ,φ) = F 2 (θ,φ) (1.3) Người ta còn có thể biểu diễn đặc trưng hướng theo decibel (hình 1.5b). Với cách biểu diễn này mức của các cánh phụ nhỏ có thể được đánh giá trực quan dễ hơn: F db (θ,φ) = 10lgF p (θ,φ) = 20lgF(θ,φ) (1.4) Người ta gọi góc mở cỏnh súng chớnh theo mức nửa công suất (2θ 0,5 ) là góc giữa 2 phương ứng với giá trị F p (θ,φ) = 0,5 hay F = 0,707. Từ (1.4) ta có: 2θ 0,5 = 2θ -3db (1.5) Ăngten có đặc trưng hướng hình xuyến là ăngten vô hướng (trong một mặt phẳng) thường được dùng trong vô tuyến truyền tin, phát thanh, … Ăngten với đặc trưng hướng hình kim có tính định hướng gần như nhau trong 2 mặt phẳng chính (mặt phẳng E và mặt phẳng H). Các ăngten này thường được dùng trong các đài Radar để theo dõi mục tiêu trong cả 2 toạ độ góc. Ngoài ta chỳng cũn được dùng trong thông tin viba, vô tuyến thiên văn, … Ăngten có đặc trưng hướng hình quạt có mức độ định hướng khác nhau trong 2 mặt phẳng chính và nó thường được dùng để xác định 1 toạ độ góc của mục tiêu trong kĩ thuật Radar. 1.2. Đặc trưng pha của ăngten Đặc trưng pha của ăngten là mặt hình học tạo bởi các điểm trong vùng xa mà tại đó vectơ cường độ trường có cùng một giá trị pha. Ta cho biểu thức pha của cường độ trường trong (1.1) bằng hằng số: Ф(θ,φ) - kr(θ,φ) = const Từ đây ta tìm được biểu thức của đặc trưng pha: r(θ,φ) = Giá trị của const trong biểu thức này được xác định từ điều kiện: r = r 0 khi (θ,φ) = (0,0). Do đó: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 9 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Ф(0,0) – kr 0 = const r(θ,φ) = r 0 + (1.6) Với (θ,φ) - (0,0) = Δ (θ,φ) Nếu biểu thức (1.6) biểu diễn một mặt cầu thì có thể xem ăngten như là một nguồn phát xạ điểm. Tâm của mặt cầu gọi là tâm phát xạ hay tâm pha. Trường hợp tổng quát đặc trưng pha không phải là mặt cầu và do đó ăngten không có tâm pha xác định. Cơ thể chứng minh được rằng các ăngten dây (chẳng hạn chấn tử) cú tõm pha nằm ở chính giữa ăngten chỉ trong trường hợp nếu phân bố biên độ của dũng trờn ăngten là hàm chẵn đối với điểm giữa và phân bố pha là không đổi hoặc là hàm lẻ so với điểm giữa của ăngten. Trong trường hợp ăngten không có tâm pha, ta có thể tiệm cận từng phần của mặt phẳng pha bằng các mặt cầu. Như vậy đối với mỗi phần ta có một tâm pha. Tập hợp cỏc tõm pha ứng với tất cả các khoảng có thể nằm trong một miền nào đó quanh chỗ đặt ăngten. Người ta thường biểu diễn hàm đặc trưng pha trong các mặt phẳng chính E và H. Trong không gian mỗi khi qua hướng phát xạ 0, pha của trường lại thay đổi đột ngột 180 0 . Vì thế đặc trưng pha phẳng của ăngten có nhiều cỏnh sóng có những chỗ nhảy bậc (hình 1.6. Đặc trưng pha của ăngten). 1.3. Đặc trưng phân cực của ăngten Trường của ăngten tại mỗi điểm trong vùng xa không chỉ được đặc trưng bởi biên độ và pha mà cả sự phân cực nữa, tức là hướng dao động của vectơ cường độ trường theo thời gian. Cao Thành Trung_ĐTVT K11 10 [...]... cầu về độ rộng dải thông tuỳ thuộc vào điều kiện sử dụng ăngten Nếu độ rộng dải thông không quá vài phần trăm tần số trung bình thì ăngten được gọi là dải thông hẹp, còn độ rộng dải thông bằng vài chục phần trăm hoặc lớn hơn thì gọi là dải thông rộng Cao Thành Trung_ĐTVT K11 22 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải PHẦN II TỔNG QUAN VỀ ĂNGTEN MẠCH DẢI 2.1 Giới thiệu chung Ăngten mạch dải được quan... nhược điểm và ứng dụng của Ăngten mạch dải Ăngten mạch dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chỳng cú những ưu và nhược điểm chính sau:  Ưu điểm:  Trọng lượng nhẹ, thể tích nhỏ và bề mặt nghiêng mỏng Ăngten Cao Thành Trung_ĐTVT K11 25 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải mạch dải nhỏ về kích thước nờn chỳng dễ kết hợp thành khối, di đó ăngten có khả năng phát xạ... trường hợp có thể đạt được độ tin cậy cơ học tốt hơn Hình 2.7 Ghép gần từ phía dưới tấm patch Cao Thành Trung_ĐTVT K11 30 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Hình 2.8 Ghép gần từ cạnh tấm patch 2.3.5 Cấp nguồn bằng phương pháp ghép khe Hình 2.9 Cấp nguồn bằng ghép khe Cao Thành Trung_ĐTVT K11 31 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Đường truyền mạch dải hở cuối có thể được đặt ở một phía của... Thành Trung_ĐTVT K11 32 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải ràng theo khía cạnh kĩ thuật a) b) c) Hình 2.10 Mô hình ăngten mạch dải Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi phần tử ăngten mạch dải chữ nhật có thể được mô tả tương đương với 2 khe bức xạ, mỗi khe có chiều dài W (bằng độ rộng của tấm mạch dải) , và đặt song song cách nhau một khoảng L (bằng chiều dài tấm mạch dải) như vẽ ở hình 2.10a Mỗi... sóng và phần tử sóng 2.4.2 Ăngten mạch dải nửa sóng Ăngten mạch dải nửa sóng là loại ăngten mạch dải được sử dụng phổ biến nhất bao gồm một phiến kim loại hình chữ nhật gắn trên bảng mạch in, được tiếp điện bởi cáp đồng trục hoặc đường truyền mạch dải Chiều dải L xấp xỉ bằng nửa bước sóng: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 33 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải L ≈ 0.49 d = 0.49 (2.1) Trong đó: λ0: bước sóng... môi Cao Thành Trung_ĐTVT K11 23 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Phiến kim loại được gắn lên trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế ăngten mạch dải còn có tên gọi là ăngten mạch in Màn chắn kim loại có tác dụng như mặt đất, phiến kim loại có chức năng phát xạ Các thông số cấu trúc cơ bản của một ăngten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W của tấm... từ mạch dải có thể xuất hiện từ trường rìa giữa chu vi của pacth và mặt phẳng đất Giả sử không có sự biến thiên của điện trường dọc theo chiều rộng và độ dày của cấu trúc mạch dải, điện trường được kích thích bởi tấm patch được chỉ ra như hình dưới: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 24 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Hình 2.2 Cơ cấu phát xạ của mạch dải Hình 2.3 Phân bố điện trường của ăngten mạch dải. .. chính cho việc sử dụng ăngten mạch dải là khả năng tạo ra cấu trúc mảng ăngten, cùng mạng cấp và sự phát xạ trên bề mặt tấm patch đơn  Nhược điểm:  Ăngten mạch dải có dải thông hẹp Thông thường với chất nền có bề dày nhỏ hơn 0.02 bước sóng, ăngten có dải thông nhỏ hơn 5% Tuy nhiên, với các tiến bộ về kĩ thuật, ăngten có dải thông lên đến 50% là có thể đạt được  Ăngten mạch dải đơn có độ dự trữ công... không đều thì: Si = Từ 2 biểu thức này, ta tính được lhd theo phân bố dòng λhd = Cao Thành Trung_ĐTVT K11 (1.37) 19 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Khái niệm lhd chỉ có ý nghĩa đối với các ăngten tương đối ngắn so với λ, khi mà hàm phân bố dòng Iz không đổi dấu trên suốt chiều dài l 1.8 Trở vào của ăngten Lối vào của ăngten là thiết diện mà tại đó kết thúc đường dây phide, ta đã biết ăngten. .. các ăngten mạch dải, không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn có ý nghĩa trong việc nghiên cứu và thiết kế ăngten mạch dải đa dạng trong thực tế phát triển của công nghệ truyền thông Trong đồ án này, chỉ giới thiệu về phương pháp phân tích ăngten mạch dải dựa trên sự quan sát và suy luận vật lý một cách trực giác đó là phương pháp đường truyền dẫn, cho phép tìm hiểu về nguyên lý của ăngten mạch dải