Chấn tử đối xứng là loại anten đơn giản và là một trong những nguồn bức xạ được sử sử dụng khá bổ biến .Chấn tử đối xứng có thể sử dụng như một anten đơn lập hoặc có thể sử dụng để cấu tạo nên các anten phức tạp hơn .
BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Bài tập lớn Môn Anten truyền sóng Giảng viên : Nguyễn Văn Khởi Nhóm : Lớp KTVT – K61 Thành viên : Lại Văn Hồn Thng Trung Long Phạm Mạnh Linh Nguyễn Văn Mạnh Dương Hữu Cường Nguyễn Văn Đạt Hà Nội, Năm 2022 Nhóm Lớp KTVT – K61 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Yêu cầu: Thiết kế mô Anten chấn tử đối xứng GHz CST MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU A PHẦN I Cơ sở lí thuyết i, Khái niệm Anten vị trí Anten thơng tin vơ tuyến điện ii, Phân loại Anten, số Anten thông dụng Phân loại Anten Một số Anten thông dụng iii, Các thơng số Anten Hàm tính hướng Đồ thị phương hướng độ rộng búp sóng Công suất xạ, điện trở xạ hiệu suất Anten Hệ số hướng tính hệ số khuếch đại anten Trở kháng vào Anten Công suất xạ đẳng hướng tương đương 4 5 7 10 11 B PHẦN I Cơ sở lí thuyết 12 i, Cấu trúc Anten Diopole Tìm hiểu lý thuyết, cấu tạo, thiết kế II Thiết kế mô anten CST Studio SE i, Thiết kế mơ hình ii, Đặt tham số mơ 2.1 Port – Cấp nguồn 2.2 Đặt dải tần mô 2.3 Boundary – Giới hạn không gian 12 12 14 14 15 15 15 16 2.4 Mesh 16 2.5 Chọn phương pháp tính mơ 17 iii, Hiển thị kết Nhóm Lớp KTVT – K61 18 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo Các thành viên nhóm Nhận xét giáo viên hướng dẫn Nhóm Lớp KTVT – K61 22 22 23 24 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST LỜI NÓI ĐẦU Trong xã hội đại, phát triển ngành điện tử viễn thông yêu cầu thiếu để thúc đẩy kinh tế phát triển góp phần nâng cao đời sống xã hội Ngày nay, giới, điện tử viễn thông không ngừng phát triển với tốc độ cao thâm nhập ngày sâu vào tất lĩnh vực đời sống xã hội Cùng với phát triển xã hội, nhu cầu trao đổi thơng tin, giải trí người ngày cao thật cần thiết Việc sử dụng hệ thống phát, thu vơ tuyến phần đáp ứng nhu cầu cập nhật thông tin người khoảng cách xa cách nhanh chóng xác Trong sống 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 đơn giản đàm, điện thoại di động, radio chúng đề sử dụng Anten Qua 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 Đó lí nhóm chúng em chọn đề tài “ Thiết kế Anten chấn tử đối xứng 1Ghz qua phần mềm mơ CST ” Trong q trình thực đề tài, cố gắng xong hạn chế thời gian tìm hiểu, kiến thức kinh nghiệm thực tế nên chúng em không tránh khỏi nhiều thiết xót Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn để đề tài chúng em ngày hoàn thiện hơn, với nhiều chức Nhóm em xin chân thành cảm ơn Nhóm Lớp KTVT – K61 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST A PHẦN KHÁI QUÁT VỀ ANTEN VÀ ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG I Cơ sở lí thuyết i, Khái niệm Anten vị trí Anten thơng tin vô tuyến điện Anten thiết bị dùng để xạ sóng điện từ thu nhận sóng điện từ khơng gian bên ngồi Anten phận quan trọng thiếu hệ thống vơ tuyến điện nào, hệ thống vơ tuyến nghĩa hệ thống có sử dụng sóng điện tử nên khơng thể thiếu thiết bị thu phát sóng điện tử Anten Một hệ thống truyền dẫn đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, Anten phát Anten thu (Hình1.1) Anten ứng dụng hệ thống thông tin vô tuyến, vơ tuyến truyền thanh, truyền hình, vơ tuyến đạo hàng vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa Ở nơi phát, sóng điện từ cáo tần truyền dẫn từ máy phát đến Anten thông qua hệ thông Fidơ dạng sóng điện tử ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc Fidơ thành dạng sóng điện từ tự xạ không gian Cấu tạo Anten định đặc tính biến đổi lượng điện nói Tại nơi thu, Anten làm nhiệm vụ ngược lại với Anten phát, Anten thu tiếp nhận sóng điện tử tự từ khơng gian bên ngồi biến đổi chúng thành sóng điện tử buộc, sóng truyền theo fido đến máy thu Yêu cầu thiết bị Anten – fido phải thực việc truyền biến đổi lượng sóng điện tử với hiệu cao khơng gây méo dạng tín hiệu Nhóm Lớp KTVT – K61 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Anten sử dụng với mục đích khác có u cầu khác Với đài phát thanh, vô tuyến truyền hình Anten cần xạ đồng mặt phẳng ngang (mặt đất), máy thu đặt hướng thu tín hiệu đài Xong Anten lại cần xạ định hướng mặt phẳng đứng với hướng cực đại song song mặt đất để đài thu mặt đất nhận tín hiệu lớn để giảm nhỏ lượng xạ theo hướng không cần thiết Trong thông tin mặt đất vũ trụ, thông tin truyền tiếp, rađa, vơ tuyến điều khiển lại u cầu Anten xạ với hướng tính cao (sóng xạ tập trung vào góc hẹp không gian) Như nhiệm vụ Anten đơn giản biến đổi lượng điện tử cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải xạ sóng theo hướng định, với yêu cầu kỹ thuật cho trước ii, Phân loại Anten, số Anten thông dụng Phân loại Anten Anten phân loại theo nhiều cách khác nhau, thường theo cách phân loại sau: - Cơng dụng Anten: Anten phân loại thành Anten phát, Anten thu Anten thu phát dùng chung Thông thường Anten làm nhiệm vụ cho phát thu - Dải tần công tác Anten: Anten sóng dài, Anten sóng trung, Anten sóng ngắn Anten sóng cực ngắn - Cấu trúc Anten: - Đồ thị phương hướng Anten: Anten vô hướng Anten có hướng - Phương pháp cấp điện cho Anten: Anten đối xứng Anten khơng đối xứng Nhóm Lớp KTVT – K61 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Một số Anten thông dụng Trong thực tế có số loại Anten thơng dụng sau: Nhóm Lớp KTVT – K61 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST iii, Các thông số Anten Để đánh giá, lựa chọn sử dụng tốt anten phải dựa đặc tính tham số Dưới đặc tính tham số anten Hàm tính hướng Hàm tính hướng hàm số biểu thị phụ thuộc cường độ trường xạ anten theo hướng khác không gian với khoảng cách không đổi, ký hiệu f (θ , φ) Hàm tính hướng thể dạng sau: Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng hàm véc tơ phức, bao gồm thành phần theo θ φ (1.1) Để đơn giản cho việc khảo sát tính hướng anten thiết lập phân tích đồ thị phương hướng ta thường dùng hàm biên độ chuẩn hóa, hàm số biểu thị biên độ cường độ trưởng hướng khảo sát biên độ cường độ trưởng hướng cực đại F ( θ , φ )=¿ f (θ , φ)∨ ¿ ¿ ¿ f (θ , φ) max∨¿ ¿ (1.2) Như giá trị cực đại hàm biên độ chuẩn hóa Đồ thị phương hướng độ rộng búp sóng Đồ thị phương hướng anten mơ tả quan hệ cường độ trường xạ công suất xạ anten hướng khác với khoảng cách khảo sát cố định (tính tử anten) Đồ thị phương hướng biểu diễn không gian ba chiều (có dạng hình khối) khó để hiển thị cách đầy đủ Thông thường, đồ thị phương hướng mặt cắt đồ thị hướng tính ba chiều Đó đồ thị hướng tính hai chiều hệ tọa độ cực hệ tọa độ vng góc, loại thị thị dễ dàng giấy (Hình 1.3) Nhóm Lớp KTVT – K61 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Từ đồ thị phương hướng ta nhận thấy rằng, giá trị trường xạ biến đổi theo biến đổi góc phương hướng khác Vì để đánh giá dạng đồ thị phương hưởng anten khác ta sử dụng khái niệm độ rộng đồ thị phương hướng hay cịn gọi độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng xác định góc hai hướng mà theo hai hướng cường độ trưởng cơng suất xạ giảm giá trị định Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thường độ rộng búp sóng nửa cơng suất sử dụng Độ rộng búp sóng nửa cơng suất góc hai hướng mà theo hai hướng cơng suất xạ giảm nửa so với công suất xạ cực đại Nếu tính theo giá trị cường độ điện trưởng độ rộng búp sóng ứng với góc hai hướng mà theo hai hướng cường độ điện trường giảm √ lần so với giá trị cực đại Anten tọa độ cực Công suất xạ, điện trở xạ hiệu suất Anten Công suất cấp cho Anten bao gồm công suất tổn hao Pth đường truyền trình biến đổi lượng; công suất xạ Pbx : P A =Pbx + Pth Một cách hình thức ta coi cơng suất xạ Anten tương tự công suất tiêu hao đường điện trở tương đương R Khi ta viết P A =I (R bx + Pth ) Rbx : điện trở xa Anten Hiệu suất Anten, , tỷ số cơng suất xạ, P công suất máy phát đưa vào anten, ( P A ) ηA= Nhóm Lớp KTVT – K61 Pbx PA Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Hiệu suất anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất anten Thông thường hiệu suất anten nhỏ Hệ số hướng tính hệ số khuếch đại anten Hệ số hướng tính (cịn gọi hệ số phương hướng) hệ số khuếch đại (còn gọi hệ số tăng ích hay độ lợi) thơng số cho phép cho phép đánh giá tính phương hướng hiệu xạ anten điểm xa trưởng xạ sở biểu thức đồ thị so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Như việc so sánh anten với lựa chọn loại anten thích hợp cho tuyến thông tin cần thiết trở nên dễ dàng Anten lý tưởng anten có hiệu suất làm việc 100% lượng xạ sóng điện tử đồng tất hướng Anten lý tưởng xem nguồn xạ vô hướng chấn tử đối xứng nửa bước sóng Hệ số hướng tính Hệ số hướng tính anten hướng cho tỷ số mật độ công suất xạ anten hướng mật độ cơng suất xạ anten chuẩn hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất xạ hai anten D ( θ , φ )= S(θ , φ) S0 Trong đó: D ( θ , φ ):là hệ số hướng tính anten khảo sát hướng ¿) với khoảng cách r S(θ , φ) S0 mật độ công suất xạ anten khảo sát hướng ( θ , φ ), khoảng cách r mật độ công suất xạ anten vô hướng điểm xét Hệ số khuyếch đại Anten Hệ số khuếch đại anten hướng cho tỷ số mật độ công suất xạ anten hướng mật độ cơng suất xạ anten chuẩn hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất đưa vào hai anten anten chuẩn (anten vơ hướng) có hiệu suất G ( θ , φ )=η A Nhóm Lớp KTVT – K61 S(θ , φ) =η A D ( θ , φ ) S0 10 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Như hệ số khuếch đại anten khái niệm đầy đủ dùng nhiều thực tế kỹ thuật, đặc trưng cho anten đặc tính xạ (hướng tính) khả làm việc (hiệu suất) anten Hệ số khuếch đại anten cho thấy anten có hướng tính xạ lượng tập trung hướng chọn giảm lượng xạ hướng khác Chính mà cịn được gọi hệ số tăng ích hay độ lợi anten Hình 1.5 Đồ thị phương hướng Lưu ý rằng, ta thường chọn phương chuẩn phương xạ cực đại anten nên sau dùng kí hiệu D G, hệ số hướng tính hệ số khuếch đại hướng b ức xạ cực đại (1.8) Trở kháng vào Anten Khi mắc anten vào máy phát máy thu trực tiếp hay qua fido, anten trở thành tải máy phát máy thu Trị số tải đặc trưng đại lượng gọi trở kháng vào anten Trong trường hợp tổng quát, trở kháng vào đại lượng phức bao gồm phần thực phần kháng, xác định tỷ số điện áp đầu vào anten dòng điện đầu vào Z vA = Ua =RvA + j X vA Ia Trở kháng vào anten cịn phụ thuộc vào kích thước hình học anten, điểm phương tiếp điện cho anten Nhóm Lớp KTVT – K61 11 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Công suất xạ đẳng hướng tương đương Trong số hệ thống thông tin vơ tuyến, ví dụ thơng tin vệ tinh, công suất xạ máy phát anten phát đặc trưng tham số công suất xạ đẳng hướng tương đương, ký hiệu EIRP Công suất định nghĩa: (1.9) EIRP = PT GT (W) Trong Pr cơng suất đầu máy phát đưa vào anten Gr hệ số khuếch đại anten phát Chú ý rằng, bỏ qua suy hao fiđơ nối từ máy phát đến anten P A =PT Công suất xạ đẳng hướng tương đương công suất phát xạ với anten vơ hướng, trường hợp coi GT =1 Nhóm Lớp KTVT – K61 12 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST B PHẦN THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG GHZ I Cơ sở lí thuyết i, Cấu trúc Anten dipole Tìm hiểu lý thuyết, cấu tạo, thiết kế - Dipole nửa sóng: Là cấu trúc gồm hai vật dẫn hình dạng tùy ý: + Kích thước giống nhau, đặt thẳng hàng không gian + Điểm (đối xứng) nối với nguồn tín hiệu cao tần + Có thể kết hợp nhiều chấn tử để tăng tính hướng Băng thơng hẹp Hệ số tính hướng D ~ 2,15dBi Hình 2.1 Dipole nửa sóng - Tham số chấn tử đối xứng Đồ thị tính hướng chấn tử đối xứng mặt phẳng E (Vng góc) Đồ thị phương hướng Anten Dipole: Hình 2.2 Đồ thị phương hướng chấn tử đối xứng mặt phẳng E Công suất xạ Dipole xác định cách tích phân : Nhóm Lớp KTVT – K61 13 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mô Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST 2π π 1 Pbx = ∫ ( E × H ) dS= ∫ dφ∫ ¿ ¿ ¿ ¿ 20 (1.10) Công thức điện trở xạ Dipole πZ l R = ( ) λ θ tx Nhóm Lớp KTVT – K61 14 (1.11) Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST * Thiết kế - Tính tốn tất tham số để thiết kế anten: f : Tần số thiết kế c : Vận tốc truyền khơng khí c f λ : Độ dài bước sóng l : độ dài nhánh λ/4 λ= s : Khoảng cách nhánh r : Bán kính nhánh chấn tử - Bài tốn ví dụ: Thiết kế Anten chấn tử đối xứng hoạt động tần số GHz f = Ghz c = 3.108 (m/s) λ = 0.3 m = 300 mm l = λ /4 = 75 mm s = mm (khởi tạo) r = 1.5 mm (khởi tạo) II Thiết kế mô anten CST Studio SE Hình 2.4 Hình dạng Anten i, Thiết kế mơ hình Hình 2.5 Mơ Anten Nhóm Lớp KTVT – K61 15 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST ii, Đặt tham số mơ 2.1 Port – Cấp nguồn Hình 2.6 Bảng thiết kế cấp nguồn cho Anten 2.2 Đặt dải tần mơ Hình 2.7 Lựa chọn tần số cho Anten Nhóm Lớp KTVT – K61 16 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng 2.3 Mô Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Boundary – Giới hạn không gian => Thiết kế không gian bao quanh anten để phần mềm giới hạn thuật tốn 2.4 Mesh Khi lựa chọn mơ Anten phần mềm sử dụng phương pháp tính Hình 2.8 Thiết lập không gian bao quanh Anten xấp xỉ dựa phần mềm Maxwell để tính trường khác phần tử hữu hạn hay khoản thời gian hữu hạn Để tính xấp xỉ được trường điện từ cho hoạt động anten cắt bỏ khơng gian thành phần nhỏ dụng hình tứ diện hình lập phương hình hộp chữ nhật tính xấp xỉ cho phần nhỏ Cứ lần chia tính trường lần, sau lần chia thứ N lần chia thứ N + 1, đem so sánh kết tính xem có khác nhiều không Nếu sai khác này mà nhiều tiếp tục giảm nhỏ kích thước mess Cịn đủ nhỏ ngưỡng định mà đặt trước coi mơ hội tụ định lấy kết làm giá trị kết mơ Lựa chọn Mesh Nhóm Lớp KTVT – K61 xong bấm Update 17 để tính tốn Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Hiện chia khoảng ~ 9.900 hình tứ diện Hình 2.9 Hình ảnh mơ sau chia thành tứ diện Đây khởi tạo tiến hành mơ phỏng, qua lần chạy cắt nhỏ thêm 2.5 Chọn phương pháp tính mơ - Có phương pháp tính theo: + Tính theo miền thời gian + Tính theo miền tần số Thường sử dụng tính theo miền tần số giúp ta tính nhanh Ngồi tính trường xạ Field Monitor Nhóm Lớp KTVT – K61 18 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Kiểm tra lại tham số set up trước chạy Simulator: Hình 2.11 iii, Hiển thị kết - Thể qua tham số là: +Tham số S – Parameter Nhóm Lớp KTVT – K61 19 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST + Tham số VSWR HÌnh 2.13 Kết tham số VSWR Nhóm Lớp KTVT – K61 20 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi ...BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Yêu cầu: Thiết kế mô Anten chấn tử đối xứng GHz CST MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU A PHẦN I Cơ sở lí thuyết i, Khái niệm Anten vị trí Anten thông... pháp cấp điện cho Anten: Anten đối xứng Anten khơng đối xứng Nhóm Lớp KTVT – K 61 Giảng viên: Nguyễn Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST Một số Anten thông dụng... Văn Khởi BTL Anten & truyền sóng Mơ Anten chấn tử đối xứng 1GHz CST B PHẦN THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG GHZ I Cơ sở lí thuyết i, Cấu trúc Anten dipole Tìm hiểu lý thuyết, cấu tạo,