(TIỂU LUẬN) báo cáo bài tập lớn ANTEN và TRUYỀN SÓNG đề tài anten loga chu kỳ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN: ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Đề tài: Anten Loga Chu kỳ Giảng viên hướng dẫn: GV Tạ Sơn Xuất Nhóm thực hiện: Đặng Thị Nương Nguyễn Hữu Khiêm Vũ Phương Lý Nguyễn Thị Hoài Thu 20193048 20192937 20192996 20193126 Phạm Thành Trung 20193156 Hà Nội, tháng năm 2022 MỤC LỤC ANTEN LOGA CHU KỲ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ANTEN 1.1 Vai trị nhiệm vụ anten thơng tin vơ tuyến .4 1.2 Hệ phương trình Maxwell, khảo sát trường xạ anten 1.3 Các đặc trưng anten 1.4 Chấn tử đối xứng 1.4.1 Khái niệm .6 1.4.2 Khảo sát trường xạ chấn tử đối xứng CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN LOGA CHU KỲ 2.1 Lịch sử .8 2.2 Đặc tính 2.3 Nguyên lý xạ 10 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN ANTEN LOGA – CHU KỲ 15 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ANTEN LOGA CHU KỲ BẰNG HFSS 22 4.1 Vẽ boom 22 4.2 Vẽ elements đục lỗ boom 23 4.3 Stud đầu chứa element dài 24 4.4 Tiếp điện đầu lại 25 4.5 Tạo Region 26 4.6 Chạy tần số 2.5GHz 27 4.7 Kết 28 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG CỦA ANTEN LOGA CHU KỲ 29 LỜI MỞ ĐẦU ANTEN LOGA CHU KỲ Cùng với phát triển xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí người ngày cao thật cần thiết Bằng cách sử dụng hệ thống phát, thu vô tuyến phần đáp ứng nhu cầu cập nhật thông tin người khoảng cách xa cách nhanh chóng xác Bất hệ thống vô tuyến phải sử dụng anten để phát thu tín hiệu Trong sống ngày dễ dàng bắt gặp nhiều hệ thống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, BTS dùng cho mạng điện thoại di động Hay vật dụng cầm tay đàm, điện thoại di động, radio sử dụng anten Việc nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật anten giúp ta nắm sở lý thuyết anten, nguyên lý làm việc sở tính tốn, phương pháp đo tham số loại anten thường dùng Để hiểu hình dung cách trực quan nhóm em phân cơng tìm hiểu trình bày đề tài “ANTEN LOGA CHU KỲ” nhờ qua q trình học tập, tìm hiểu mô anten phần mềm HFSS, với kiến thức giảng đường chúng em hiểu thêm Anten Học kỳ 20211, chúng em học mơn Anten Truyền sóng thầy Tạ Sơn Xuất giảng dạy hướng dẫn, thầy giải đáp thắc mắc hỗ trợ nhiều để hồn thành đề tài khơng tránh khỏi sai sót kiến thức, kỹ cịn hạn chế, mong thầy góp ý để sau nhóm chúng em hoàn thiện đề tài chúng em Chúng em xin trân trọng cảm ơn thầy! CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ANTEN 1.1 Vai trò nhiệm vụ anten thông tin vô tuyến ANTEN LOGA CHU KỲ Việc truyền lượng điện từ không gian thực theo cách: - Dùng đường truyền định hướng đường dây song hành, đường truyền sóng đồng trục, ống dẫn sóng, - Dừng đường truyền vơ tuyến, sóng truyền dạng sóng điện từ tự Thiết bị dùng để xạ sóng điện từ thu nhận sóng từ khơng gian bên ngồi gọi anten Anten có vai trị khơng thể thiếu hệ thống thơng tin vơ tuyến 1.2 Hệ phương trình Maxwell, khảo sát trường xạ anten * Hệ phương trình Maxwell: (1-1) * Khảo sát trường xạ anten: + Phương pháp: giải hệ phương trình Maxwell đầy đủ để tìm nghiệm tổng quát + Cách làm: Tách hệ phương trình Maxwell đầy đủ thành hệ con: có nguồn điện có nguồn từ, giải hệ dùng nguyên lý đổi lẫn, tổng nghiệm hệ nghiệm hệ phương trình Maxwell đầy đủ (1-2) (1-3) trở kháng sóng mơi trường , hàm xạ điện xạ từ 1.3 Các đặc trưng anten - Hàm phương hướng xạ (PHBX) biểu thị phụ thuộc trường xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi - Hàm phương hướng biên độ (PHBĐ) biểu thị phụ thuộc biên độ trường xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi (1-4) ANTEN LOGA CHU KỲ - Hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa (1-5) - Đồ thị phương hướng xạ anten: đồ thị vẽ không gian biểu thị phụ thuộc biên độ trường xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi thường vẽ theo hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa + Độ rộng đồ thị phương hướng xạ theo mức (ký hiệu ) góc hướng mà theo hướng cơng suất xạ giảm + Độ rộng đồ thị phương hướng xạ theo hướng nửa công suất (ký hiệu góc hướng mà theo hướng công suất xạ giảm nửa - Hiệu suất xạ tỷ số công suất xạ công suất đặt vào anten (1-6) - Hệ số định hướng anten theo hướng ( tỷ số mật độ công suất xạ anten theo hướng mật độ công suất xạ anten chuẩn có cơng suất xét theo khoảng cách R (1-7) Anten chuẩn anten xạ đẳng hướng hiệu suất xạ - Hệ số tăng ích: (1-8) - Cơng suất xạ anten: (1-9) với S mặt cầu bao quanh anten - Trở kháng xạ: (1-10) - Trở kháng vào anten: (1-11) Hầu hết anten hoạt động dải tần định để truyền lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng đầu máy phát đầu vào anten ANTEN LOGA CHU KỲ - Dải tần làm việc anten: dải tần từ đến mà anten làm việc với thông số không đổi thay đổi phạm vị cho phép 1.4 Chấn tử đối xứng 1.4.1 Khái niệm Chấn tử đối xứng cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn kích thước giống đặt thẳng hàng không gian, tiếp điện dịng điện cao tần Hình 1.1 1.4.2 Khảo sát trường xạ chấn tử đối xứng Để tìm trường xạ ta cần biết phân bố dòng điện chấn tử, điều trở nên phức tạp Ta xét phương pháp gần để xác định dòng điện phân bố chấn tử: Coi chấn tử đối xứng tương đương đường dây song hành, hở mạch mà đường dây song hành dịng điện phân bố theo quy luật sóng đứng, trường xạ chấn tử đối xứng giống với trường xạ dân dẫn thẳng có dịng điện sóng đứng Thật vậy, đường dây song hành biến dạng để nhận chấn tử đối xứng cách mở rộng đầu cuối đường dây đến góc mở hai nhánh 180o Giả sử biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng quy luật dịng điện hai nhánh khơng đổi (vẫn có dạng sóng đứng) (1-12) biên độ dịng điện điểm bụng sóng đứng ANTEN LOGA CHU KỲ độ dài chấn tử Hình 1.2 Do đó, trường xạ chấn tử tính theo trường xạ dây dẫn thẳng có dịng điện sóng đứng (1-13) (1-14) Hàm phương hướng xạ chấn tử: (1-15) dịng điện đầu vào chấn tử (tại z=0) - Trở kháng sóng chấn tử (1-16) - Trở kháng vào chấn tử: (1-17) ANTEN LOGA CHU KỲ CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN LOGA CHU KỲ 2.1 Lịch sử Anten loga chu kỳ gọi mảng loga chu kỳ loga chu kỳ không, ăng-ten định hướng, đa phần tử thiết kế để hoạt động dải tần số rộng Anten loga chu kỳ phát minh John Dunlavy vào năm 1952 làm việc cho Không quân Hoa Kỳ, không ghi nhận phân loại vào "Tài liệu mật" Đại học Illinois Urbana-Champaign cấp sáng chế cho anten Isbell Mayes-Carrel cấp phép thiết kế gói dành riêng cho JFD Electronics New York Channel Master Blonder Tongue Labs bỏ qua sáng chế sản xuất loạt ăng-ten dựa thiết kế Các vụ kiện liên quan đến sáng chế ăng-ten mà Quỹ UI mất, phát triển thành Học thuyết Blonder-Tongue năm 1971 Tiền lệ chi phối kiện tụng sáng chế 2.2 Đặc tính Dạng phổ biến ăng ten loga chu kỳ mảng dipole lưỡng cực loga chu kỳ LPDA LPDA bao gồm số phần tử điều khiển lưỡng cực nửa bước sóng có chiều dài tăng dần, phần tử bao gồm cặp kim loại Các lưỡng cực gắn gần thành đường thẳng, nối song song với đường nạp có pha xen kẽ Về mặt điện, mơ loạt ăng-ten Yagi-Uda hai ba phần tử kết nối với nhau, ăng-ten điều chỉnh theo tần số khác Ăng-ten LPDA trông giống với ăng-ten Yagi, điểm hai bao gồm phần tử lưỡng cực gắn đường dọc theo cần đỡ, chúng hoạt động theo cách khác Việc thêm phần tử vào Yagi làm tăng tính định hướng hệ số tăng ích nó, việc thêm phần tử vào LPDA làm tăng đáp ứng tần số băng thơng Trên thực tế LPDA có hệ số định hướng nhỏ chút so với mảng Yagi-Uda (7-12 dB), chúng đạt trì băng thơng rộng nhiều Tuy nhiên khác ANTEN LOGA CHU KỲ biệt lớn chúng kích thước hình học phần tử mảng Yagi-Uda khơng tn theo mẫu thiết lập nào, độ dài, khoảng cách, đường kính khoảng cách khe hở tâm lưỡng cực mảng loga chu kì tăng theo logarit xác định nghịch đảo tỷ lệ hình học � Một tham số khác thường kết hợp với mảng lưỡng cực loga chu kỳ hệ số khoảng cách � Hai tham số �, � hai tham số đặc trưng anten loga chu kì, hai yếu tố làm nên khác biệt hai anten yagi-uda loga chu kì Ngồi phần tử mảng Yagi-Uda cung cấp lượng trực tiếp dòng nguồn cấp, khác phần tử khác hoạt động chế độ ký sinh, tất phần tử mảng loga chu kỳ kết nối với cấp liệu cho phần tử mảng lưỡng cực anten loga chu kỳ cấp nguồn đầu nhỏ cấu trúc 2.3 Nguyên lý xạ * Nguyên lý tương tự điện động học Nếu biến đổi đồng thời bước sóng cơng tác tất kích thước anten theo tỷ lệ giống đặc tính anten (đồ thị phương hướng, trở kháng vào, ) khơng đổi Theo ngun lý thiết lập anten không phụ thuộc tần số cách cấu tạo anten với nhiều khu vực có kích thước khác nhau, tỷ lệ theo hệ số định Khi anten làm việc với bước sóng có khu vực anten tham gia vào trình ANTEN LOGA CHU KỲ xạ (miền xạ anten) Khi bước sóng thay đổi miền xạ dịch chuyển đến khu vực mà tỷ lệ kích thước hình học phần tử xạ với bước sóng khơng đổi Anten tạo tập hợp chấn tử có kích thước khoảng cách khác tiếp điện từ đường fide song hành chung hình (các chấn tử nhận dòng từ fide theo cách tiếp điện chéo): Hình 2.1 Kích thước chấn tử khoảng cách chúng biến đổi dần theo tỉ lệ, tỉ lệ gọi chu kỳ kết cấu: (2-1) Đặc tính kết cấu anten loga chu kỳ xác định hai thơng số τ góc α Nếu máy phát làm việc tần số f0 đó, tần số lại tần số cộng hưởng chấn tử trở kháng chấn tử điện trở () Các chấn tử khác thành phần điện kháng, giá trị điện kháng lớn độ dài chấn tử khác xa với chấn tử cộng hưởng,có nghĩa chấn tử xa chấn tử cộng hưởng Chấn tử cộng hưởng kích thích mạnh Các chấn tử khơng cộng hưởng có dịng điện chạy qua nhỏ nên trường xạ anten định chủ yếu xạ của chấn tử cộng hưởng số chấn tử lân cận gần Những chấn tử tạo nên miền xạ anten Dòng điện chấn tử miền xạ có tiếp nhận trực tiếp từ fide hình thành cảm ứng điện trường chấn tử cộng hưởng 10 ANTEN LOGA CHU KỲ Đối với thiết kế loga chu kỳ lý tưởng, tỷ lệ phải giống cho tất phần tử mảng Tuy nhiên, thực tế, phần tử thường chia thành một, hai, ba nhiều nhóm với tất phần tử nhóm có đường kính khơng chiều dài Số lượng nhóm xác định tổng số phần tử mảng Thông thường phải đủ ba nhóm (cho phần tử nhỏ, trung bình lớn) Hiệu phần tử lưỡng cực dòng đầu vào đặc trưng đồ thị cho Hình 3.2 Trong đó: �’ = �/ : Khoảng cách trung bình tương đối Za: Trở kháng đặc tính trung bình phần tử Rin: Trở kháng vào (thực) Zo: Trở kháng đặc tính dịng nạp Khoảng cách tâm s hai dòng nạp, có đường kính giống hệt nhau, xác định bằng: 17 ANTEN LOGA CHU KỲ Hình 3.2: Trở kháng đặc tính tương đối dịng nạp hàm trở kháng đặc tính tương đối phần tử lưỡng cực Yêu cầu đề bài: Dải tần hoạt động từ 2- GHz Hệ số tăng ích > 6dBi Trang web dùng để tính tốn: https://hamwaves.com/lpda/en/index.html Cụ thể: 18 ANTEN LOGA CHU KỲ INPUT Lowest frequency f₁ = 2000 MHz Highest frequency fₙ = 4000 MHz Diameter of the shortest element ⌀ = mm Characteristic input impedance Zc_in = 50 Ω Taper τ = 0.930 Optimal relative spacing σₒₚₜ = 0.175 Chosen relative spacing σ = 0.160 19 ANTEN LOGA CHU KỲ RESULTING DESIGN Number of elements [N]= 16 Dipole element lengths: dipole ℓ₁ = 0.075 m dipole ℓ₂ = 0.070 m dipole ℓ₃ = 0.065 m dipole ℓ₄ = 0.060 m dipole ℓ₅ = 0.056 m dipole ℓ₆ = 0.052 m dipole ℓ₇ = 0.048 m dipole ℓ₈ = 0.045 m dipole ℓ₉ = 0.042 m dipole ℓ₁₀ = 0.039 m dipole ℓ₁₁ = 0.036 m dipole ℓ₁₂ = 0.034 m dipole ℓ₁₃ = 0.031 m dipole ℓ₁₄ = 0.029 m dipole ℓ₁₅ = 0.027 m dipole ℓ₁₆ = 0.025 m Sum of all dipole lengths ℓₜₒₜ = 0.735 m Distances between the element centres and their position along the boom: 20 ANTEN LOGA CHU KỲ d₁,₂ = 0.024 m, h₂ = 0.024 m d₂,₃ = 0.022 m, h₃ = 0.046 m d₃,₄ = 0.021 m, h₄ = 0.067 m d₄,₅ = 0.019 m, h₅ = 0.086 m d₅,₆ = 0.018 m, h₆ = 0.104 m d₆,₇ = 0.017 m, h₇ = 0.121 m d₇,₈ = 0.016 m, h₈ = 0.136 m d₈,₉ = 0.014 m, h₉ = 0.151 m d₉,₁₀ = 0.013 m, h₁₀ = 0.164 m d₁₀,₁₁ = 0.012 m, h₁₁ = 0.177 m d₁₁,₁₂ = 0.012 m, h₁₂ = 0.188 m d₁₂,₁₃ = 0.011 m, h₁₃ = 0.199 m d₁₃,₁₄ = 0.010 m, h₁₄ = 0.209 m d₁₄,₁₅ = 0.009 m, h₁₅ = 0.219 m d₁₅,₁₆ = 0.009 m, h₁₆ = 0.227 m Boom length L = 0.227 m Length of the terminating stub ℓ_Zterm = 0.019 m Required characteristic impedance of the feeder connecting the elements Zc_feed = 68.6 Ω 21 ANTEN LOGA CHU KỲ CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ANTEN LOGA CHU KỲ BẰNG HFSS 4.1 Vẽ boom Số liệu: Hình 4.1 Hình 4.2 22 ANTEN LOGA CHU KỲ 4.2 Vẽ elements đục lỗ boom Hình 4.3 Các elements có thơng số tính tốn theo lý thuyết Tương tự, ta vẽ boom elements đối xứng Hình 4.4 23 ANTEN LOGA CHU KỲ 4.3 Stud đầu chứa element dài Số liệu: Hình 4.5 Hình 4.6 24 ANTEN LOGA CHU KỲ 4.4 Tiếp điện đầu cịn lại Số liệu: Hình 4.7 Hình 4.8 25 ANTEN LOGA CHU KỲ 4.5 Tạo Region Hình 4.9 Hình 4.10 26 ANTEN LOGA CHU KỲ 4.6 Chạy tần số 2.5GHz 27 ANTEN LOGA CHU KỲ 4.7 Kết Đồ thị 3D: Đồ thị 2D: Ở mặt phẳng xOy: 28 ANTEN LOGA CHU KỲ Ở mặt phẳng yOz: CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG CỦA ANTEN LOGA CHU KỲ * Mở rộng dải tần anten Nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng mà ứng với tần số khác phổ biên độ dòng điện đặt vào anten (nếu anten phát) sức điện động thu (nếu anten thu) biến đổi theo, làm thay đổi dạng phổ tín hiệu Khi có tín hiệu phổ rộng truyền qua fide ứng với tần số khác phổ tạp trễ pha khác gây méo pha tín hiệu Vì tốt anten phải đảm bảo dải tần làm việc số Có nhiều trường hợp địi hỏi anten khơng làm việc tần số mà làm việc số tần số khác Ứng với tần số khác anten phải đảm bảo tiêu kỹ thuật định đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thơng tần Dải tần số mà giới hạn anten làm việc với tiêu kỹ thuật cho gọi dải tần công tác anten Chỉ tiêu kỹ thuật khác loại anten cụ thể 29 ANTEN LOGA CHU KỲ Tỷ số tần số cực đại cực tiểu dải tần công tác gọi hệ số bao trùm dải sóng Trong đó, dải tần số anten loga chu kỳ đạt với hệ số bao trùm khoảng 10/1 lớn Căn theo dải tần số công tác, anten loga- chu kỳ thuộc loại anten dải tần siêu rộng : * Ứng dụng: Ăng ten loga chu kỳ sử dụng nhiều lĩnh vực cần có mức băng thơng rộng với khả định hướng hệ số tăng ích Có số khu vực nơi ăng-ten sử dụng: + Thông tin liên lạc HF: Ăng ten loga chu kỳ thường sử dụng cho lưu lượng ngoại giao băng tần HF Nó hoạt động tốt đại sứ quán người dùng tương tự khác cần phải hoạt động nhiều lựa chọn tần số dải tần HF thường khả thi có ăngten Một Ăng ten loga chu kỳ cung cấp quyền truy cập vào số lượng tần số đủ lớn dải tần HF phép thực liên lạc bất chấp biến thể tầng điện ly thay đổi tần số làm việc tối ưu + Truyền hình mặt đất UHF: Ăng ten loga chu kỳ sử dụng để thu sóng truyền hình mặt đất UHF Vì kênh truyền hình nằm phần rộng phổ UHF, loga chu kỳ cho phép phủ đủ băng thông + Phép đo EMC: EMC vấn đề then chốt tất sản phẩm điện tử Thử nghiệm yêu cầu quét tần số thực dải tần số rộng Khi kiểm tra phát xạ xạ, cần có ăng ten cung cấp phản hồi phẳng dải tần số rộng Loga chu kỳ cung cấp hiệu suất cần thiết sử dụng rộng rãi hình thức ứng dụng * Các ứng dụng khác: Có nhiều ứng dụng khác, nơi sử dụng ăng-ten loga chu kỳ Bất kỳ ứng dụng cần khả định hướng băng thông rộng ứng dụng lý tưởng cho dạng thiết kế ăng ten RF Xét kích thước hệ số tăng ích thấp Yagi, dipole loga chu kỳ có xu hướng khơng sử dụng rộng rãi Yagi Tuy nhiên, LPDA tự xuất cần băng thông rộng 30 ANTEN LOGA CHU KỲ TÀI LIỆU THAM KHẢO 1, Antenna Theory Analysis and Design – Constantine A.Balanis 2, Designing of Log periodic dipole antenna (LPDA) and It’s performace analysis - Iftekhar Rahman, Sunny Md Shahriar Istiak, Syed Aftab Uddin Tonmoy 3, https://en.wikipedia.org/wiki/Log-periodic_antenna 4, https://hamwaves.com/lpda/en/index.html 5, Log Periodic Antenna: LPDA Aerial Array_Electronics Notes Link rút gọn web: https://bit.ly/3FPFpal 6, https://www.antenna-theory.com/antennas/wideband/log-periodic-dipole.php 31 ... đầu vào chấn tử (tại z=0) - Trở kháng sóng chấn tử (1-16) - Trở kháng vào chấn tử: (1-17) ANTEN LOGA CHU KỲ CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN LOGA CHU KỲ 2.1 Lịch sử Anten loga chu kỳ gọi mảng loga chu. .. 26 ANTEN LOGA CHU KỲ 4.6 Chạy tần số 2.5GHz 27 ANTEN LOGA CHU KỲ 4.7 Kết Đồ thị 3D: Đồ thị 2D: Ở mặt phẳng xOy: 28 ANTEN LOGA CHU KỲ Ở mặt phẳng yOz: CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG CỦA ANTEN LOGA CHU KỲ... trình bày đề tài ? ?ANTEN LOGA CHU KỲ” nhờ qua q trình học tập, tìm hiểu mơ anten phần mềm HFSS, với kiến thức giảng đường chúng em hiểu thêm Anten Học kỳ 20211, chúng em học mơn Anten Truyền sóng thầy