Thiết kế mô phỏng anten xoắn cộng hưởng ở tần số 300mhz

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN Tìm hiểu lý thuyết anten, phân tích sâu vào anten xoắn nguyên lý hoạt động Tiến hành đặt vấn đề, đưa tốn phân tích, thiết kế mơ anten xoắn Tính tốn thơng số, tiến hình thiết kế anten mô anten xoắn Đưa kết mô phỏng, biểu đồ, đồ thị nhận xét, so sánh với yêu cầu toán Kết luận đồ án LỜI CẢM ƠN Để nghiên cứu hoàn thành đề tài này, em nhận giúp đỡ, hỗ trợ từ nhiều phía Em xin chân thành cảm ơn: - Các thầy cô giảng dạy, cấp kiến thức q trình học tập để em thực đề tài - Giảng viên hướng dẫn TRẦN TUẤN VIỆT nhiệt tình hướng dẫn em suốt qua trình thực đề tài - Gia đình bạn bè ủng hộ giúp đỡ em suốt trình thực đề tài LỜI CAM ĐOAN Ngày với phát triển khoa học kĩ thuật, nhu cầu liên lạc trao đổi thông tin trở nên vô cần thiết Truyền dẫn vô tuyến lĩnh vực quan tâm nghiên cứu, phát triển khả truyền khoảng cách xa vượt qua rào cản địa hình Trong anten xoắn loại anten có nhiều ưu điểm sử dụng rộng rãi Vì em chọn đề tài: “Thiết kế mô anten xoắn cộng hưởng tần số 300Mhz ” làm đề tài tốt nghiệp Trong trình thực đề tài, cịn nhiều thiếu sót kiến thức hạn chế những nội dung trình bày báo cáo hiểu biết thành em đạt giúp đỡ giảng viên hướng dẫn thầy Trần Tuấn Việt Em xin cam đoan rằng: Những nội dụng trình bày báo cáo đồ án tốt nghiệp khơng có chép từ cơng trình có trước đó, riêng nội dung trích dẫn từ nguồn tài liệu tham khảo thích đầy đủ, rõ ràng Nếu khơng thật, em xin chịu trách nhệm trước nhà trường MỤC LỤC NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 10 1.1 Giới thiệu anten 10 1.2 Các tham số anten 12 1.2.1 Sự xạ sóng điện từ 12 1.2.2 Giản đồ xạ 13 1.2.3 Mật độ công suất xạ 17 1.2.4 Cường độ công suất xạ 18 1.2.5 Hệ số định hướng 1.2.6 Hệ số tăng ích 19 19 1.2.7 Phân cực 20 1.2.8 Băng thông 22 1.2.9 Trở kháng vào 22 1.2.10 Phối hợp trở kháng 1.3 Anten xoắn 23 28 1.3.1 Anten xoắn trụ 28 1.3.2 Anten xoắn phẳng 35 1.3.3 Anten xoắn chóp 39 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TỐN THIẾT KẾ ANTEN 43 2.1 Đặt vấn đề 43 2.1.1 Bài tốn 43 2.1.2 Mục đích thiết kế anten xoắn cộng hưởng 300Mhz 43 2.1.3 Các tham số cần tính tốn để thiết kế mơ anten xoắn43 2.1.4 Các thơng số thu sau q trình mơ 2.1.5 Ưu, nhược điểm anten cần thiết kế 2.2 Giải vấn đề 44 2.2.1 Chu vi vòng xoắn 45 2.2.2 Góc xoắn 46 2.2.3 Số vịng xoắn 46 2.2.4 Khoảng cách vòng dây 46 2.2.5 Đường kính dây 46 2.2.6 Đường kính mặt chắn 46 2.2.7 Phối hợp trở kháng 46 2.2.8 Các thông số khác anten 2.2.9 Phần mềm mô 47 47 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 51 3.1 Chạy mơ với HFSS 51 3.2 Xem kết mô 54 3.3 Các thao tác mô 57 3.3.1 Khởi tạo Project 57 3.3.2 Vẽ vòng xoắn 57 3.3.3 Vẽ cáp đồng trục 58 3.3.4 Vẽ mặt phẳng đất 59 3.3.5 Tiếp điện cho anten 60 3.3.6 Tạo không gian xạ 61 3.3.7 Thiết lập tần số hoạt động cho anten 63 3.3.8 Hình ảnh sau thiết kế: 3.4 Kết mô 64 64 44 43 3.4.1 Hệ số tổn hao phản xạ Return Loss 64 3.4.2 Hệ số sóng đứng 65 3.4.3 Đồ thị Smith 66 3.4.4 Đồ thị xạ 66 3.4.5 Giản đồ xạ 67 3.4.6 Phân bố dòng 3.5 Nhận xét 68 68 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 72 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Anten thiết bị truyền sóng [1] 10 Hình 1.2 trình tương đương Thevenin cho hệ thơng anten hình 1.1 [1] Hình 1.3 Các trường xạ khu xa [1] 11 13 Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1] 14 Hình 1.5 Giản đồ xạ vơ hướng anten [1] 15 Hình 1.6 Giản đồ xạ mặt phẳng E mặt phẳng H cho anten loa [1] 15 Hình 1.7 Các búp sóng khơng gian chiều [1] 16 Hình 1.8 Các búp sóng mặt phẳng chiều [1] 17 Hình 1.9 Phân cực anten [1] 20 Hình 1.10 Sơ đồ phối hợp trở kháng [1] 23 Hình 1.11 Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung [1] Hình 1.12 Phối hợp trở kháng đoạn dây nhánh [1] 24 24 Hình 1.13 Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh song song [1] Hình 1.14 Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng đoạn dây [1] 26 27 Hình 1.15 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài [1] 27 Hình 1.16 Sơ đồ phối hợp trở kháng hai đoạn dây mắc nối tiếp [1] Hình 1.17 Anten xoắn trụ [1] 28 Hình 1.18 Chế độ xạ ngang [1] 30 Hình 1.19 Chế độ xạ trục [1] 31 Hình 1.20 Ba chế độ hoạt động anten xoắn [1] 32 Hình 1.21 Trường xạ anten xoắn trường hợp tổng quát [1] 32 Hình 1.22 Anten xoắn phẳng logarit [1] 35 Hình 1.23 Đồ thị phương hướng anten xoắn phẳng logarit [1] 37 Hình 1.24 Anten xoắn phẳng Acsimet [1]38 Hình 1.25 Đường cong đặc tính phân cực [1] 39 27 Hình 1.26 Anten xoắn chóp thường anten xoắn trụ [1] Hình 1.27 Anten xoắn chóp logarit [1] 41 Hình 2.1 Giao diện chương trình HFSS Hình 2.2 Cửa sổ quản lý dự án 40 48 49 Hình 2.3 Cửa sổ thuộc tính 49 Hình 3.1 Bảng thơng số tạo mơi trường xạ xa hình cầu Hình 3.2 Thiết lập dải tần số mơ 53 Hình 3.3 Khai báo vùng tần số khảo sát 54 Hình 3.4 Sự hội tụ lời giải HFSS Hình 3.5 Tạo báo cáo kết 55 55 Hình 3.6 Bảng nhập số liệu để vẽ đồ thị 56 Hình 3.7 Giao diện project HFSS 57 Hình 3.8 Đơn vị thơng số anten 57 Hình 3.9 Các thơng số vịng xoắn 58 Hình 3.10 Thơng số lõi cáp đồng trục 58 Hình 3.11 Thơng số vỏ cáp đồng trục 59 Hình 3.12 Thơng số mặt phẳng đất 59 Hình 3.13 Thơng số mặt cắt Hình 3.14 Tùy chọn cắt 60 60 Hình 3.15 Trở kháng thành phần tiếp điện 61 Hình 3.16 Kích thước khơng gian xạ 61 Hình 3.17 Giới hạn vùng xạ 62 Hình 3.19 Anten sau thiết kế HFSS Hình 3.20 Đồ thị Return Loss 64 Hình 3.21 Đồ thị sóng đứng 65 Hình 3.22 Đồ thị Smith 66 Hình 3.23 Đồ thị xạ 2D 66 Hình 3.24 Đồ thị xạ 3D 67 64 52 Hình 3.25 Giản đồ xạ anten 67 Hình 3.26 Phân bố dịng diện anten 68 LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển xã hội ngày nhanh, nhu cầu trao đổi thông tin người ngày cao trở nên quan trọng Những rào cản mặt địa lý khiến cách liên lạc hữu tuyến trở nên khó khăn chi phí cao Bằng cách sử dụng hệ thống thu, phát vô tuyến phần đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin người khoảng cách xa cách nhanh chóng xác Anten phần khơng thể thiếu hệ thống truyền thơng sử dụng Các công nghệ truyền thông không dây ngày phát triển, theo loại anten ngày phát triển, nâng cấp để phù hợp với yêu cầu đề Trong anten xoắn anten phát minh sớm ứng dụng rộng rãi Anten xoắn hoạt động chế độ xạ ngang sử dụng phổ biến lĩnh vực radio, truyền hình, di động vệ tinh với ưu điểm kích thước vật lý nhỏ, xạ đa hướng dễ dàng tích hợp Cùng với tần số vố tuyến quy hoạch quản lý cách chặt chẽ để sử dụng hệ thống truyền dẫn vô tuyến Băng tần VHF (Very high frequency) với dải tần vô tuyến nằm khoảng 30Mhz – 300Mhz, sử dụng từ kỉ 20 có nhiều đặc tính lý tưởng liên lạc mặt đất khoảng cách gần VHF bị ảnh hưởng tạp dải tần thấp bị ảnh hưởng bở vật cản lớn tần số lớn Đồ án tập trung nghiên cứu thiết kế anten xoắn cộng hưởng tần số 300 Mhz thuộc băng tần VHF, hoạt động chế độ xạ ngang với kỹ thuật tiếp điện cáp đồng trục Sau dùng phần mềm HFSS để làm rõ đặc điểm đặc tính xạ, băng thơng, trở kháng… anten Nội dung đồ án gồm chương:  Chương : Lý thuyết anten  Chương : Phân tích tốn thiết kế anten 10 Hình 3.15 Trở kháng thành phần tiếp điện 3.3.6 Tạo không gian xạ Vẽ khối hộp : Draw =>box => chọn vật liệu air Nhập thông số cho khơng gian xạ 78 Hình 3.16 Kích thước khơng gian xạ 79 Sau vẽ không gian xạ: Chuột phải vào khung =>Select Face=> chọn mặt khối khơng gian xạ Kích phải khối=>Assign Boundary =>Radiotion Giới hạn vùng xạ: Chọn HFSS=>Radiation =>insertFar Field Setup =>infinite Sphere Trong tab Infinite Sphere nhập thông số: Hình 3.17 Giới hạn vùng xạ 80 3.3.7 Thiết lập tần số hoạt động cho anten Chọn HFSS => Analys Setup => chọn Add Solution Setup => xuất bảng: Ta điều chỉnh thông số hình vẽ: Hình 3.18 Thiết lập tần số hoạt động anten 81 3.3.8 Hình ảnh sau thiết kế: Hình 3.19 Anten sau thiết kế HFSS 3.4 Kết mô 3.4.1 Hệ số tổn hao phản xạ Return Loss 82 Hình 3.20 Đồ thị Return Loss Dựa vào đồ thị cho thấy suy hao anten lớn Anten cộng hưởng tần số 300,7538 Mhz sai số mô lý thuyết nhỏ Băng thơng hoạt động xét điểm có độ suy giảm -10dB là: 292,9 Mhz 308 Mhz (khoảng tần số anten xạ với công suất lớn nhất), anten có băng thơng hẹp 3.4.2 Hệ số sóng đứng 83 Hình 3.21 Đồ thị sóng đứng Dựa vào hình vẽ thấy anten cộng hưởng điểm có tần số 300Mhz giá trị hệ số sóng đứng tần số cộng hưởng 1,5 nằm khoảng tối ưu từ 1,5 ÷ 2,0 (khi click chuột vào điểm cộng hưởng đồ thị tọa độ điểm trục hồnh tần số cộng hưởng, trục tung hệ số sóng đứng Ở trục hồnh 300Mhz trục tung 1.5) Tại giá trị VSWR 1,5, khoảng 4% công suất tới đầu cuối anten bị phản xạ lại 3.4.3 Đồ thị Smith 84 Hình 3.22 Đồ thị Smith Dựa vào đồ thị cho thấy giá trị trở kháng phức anten ứng với dải tần số thiết lập mô từ 225Mhz – 450Mhz Trong giá trị trở kháng tần số cộng hưởng 300Mhz 1,0626 – 0,0714j 3.4.4 Đồ thị xạ 85 Hình 3.23 Đồ thị xạ 2D Hình 3.24 Đồ thị xạ 3D Dựa vào đồ thị cho thấy độ lợi tính theo dB theo hướng xạ cực đại đạt 4.706 dB 3.4.5 Giản đồ xạ 86 Hình 3.25 Giản đồ xạ anten Đồ thị cho thấy anten có hướng xạ cực đại nằm khoảng Anten cịn có hai thùy phụ góc - 3.4.6 Phân bố dịng 87 Hình 3.26 Phân bố dịng diện anten 3.5 Nhận xét Sau q trình thiết kế mơ anten ta rút nhận xét sau: Tần số cộng hưởng anten với yêu cầu toán, sai số nhỏ Độ lợi anten theo hướng xạ cực đại 4,706dB thấp so với tính tốn 11,4dB, độ lợi thấp vị trí tiếp điện chưa tối ưu Hướng xạ anten phù hợp với yêu cầu xạ đa hướng Ưu điểm anten có xạ đa hướng phù hợp với nhu cầu truyền dẫn vùng có bán kính lớn theo hướng đài phát thanh, đài tuyền hình… Kích thước anten nhỏ gọn dẽ dàng tích hợp thiết bị có tính di động cao đàm, radio… Phạm vi truyền dẫn tới vài chục km thiết bị radio cá nhân, thiết bị liên lạc hàng hải Nhược điểm anten băng thông thấp thấp dẫn đến khả trao đổi liệu Sự tiêu hao lượng lớn dẫn đến khoảng cách truyền không xa chế độ xạ trục Khi cộng hưởng tần số 300Mhz anten có trở kháng vào 140 Việc cộng hưởng tần số 300Mhz có ưu điểm bị ảnh hưởng tạp âm khí nhiễu từ thiết bị điện Cộng hưởng tần số 300Mhz bị ảnh hưởng tòa nhà vật vật thể lớn nhỏ đáng kể so với tần số cao nên nhận nhà khu đô thị lớn Tuy nhiên, nhược điểm cộng hưởng tần số 140 khoảng cách truyền dẫn bị hạn chế khu vực định tầng trở kháng điện li không phản xạ lại tần số Thêm vào tần số 300Mhz dễ bị chặn tính chất mặt đất đồi, núi… Việc xuyên qua tầng điện ly mang đến ưu điểm khả truyền dẫn vệ tinh 88 KẾT LUẬN Trong thời gian thực hiện, đề tài sâu phân tích cấu tạo nguyên lý hoạt động ba loại anten xoắn Trong tập trung vào anten xoắn trụ hoạt động chế độ xạ ngang với tần số cộng hưởng 300Mhz Qua đề tài rút kết sau: - Tìm hiểu ưu nhược điểm anten xoắn, anten xoắn cộng hưởng tần số 300Mhz ứng dụng hệ thống truyền dẫn vô tuyến - Sử dụng chương trình HFSS để thiết kế anten cách xác, hiệu tiết kiệm thời gian việc khảo sát thông số anten Anten xoắn sử dụng rộng rãi thiết bị thông tin di động giá thành thấp kích thước nhỏ gọn cịn nhiều hạn chế Việc thiết kế anten đề tài chưa tính tốn tối ưu để đạt tiêu chất lượng cao Trong thời đại phát triển cơng nghệ thơng tin địi hỏi phải có nghiên cứu sâu rộng để tìm thiết kế phù hợp với yêu cầu ngày cao công nghệ truyền dẫn Hướng phát triển đề tài tập trung vào điều thiết yếu sau: - Tiếp tục nghiên cứu dạng anten xoắn để đưa thiết kế có hiệu cao phù hợp với mục đích khác - Nghiên cứu ứng dụng anten xoắn hoạt động chế độ trục truyền dẫn thông tin vệ tinh 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật Anten, NXB KHKT,2007 [2] Nguyễn Viết Minh, Truyền sóng anten, Học viện CN BCVT,2005 [3] Thomas A Milligan, Modern Antenna Design, 2nd Edittion, 2002 [4] Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, 2006 90 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 91 ... tính lý tưởng liên lạc mặt đất khoảng cách gần VHF bị ảnh hưởng tạp dải tần thấp bị ảnh hưởng bở vật cản lớn tần số lớn Đồ án tập trung nghiên cứu thiết kế anten xoắn cộng hưởng tần số 300 Mhz... thông Băng thông anten khoảng tần số mà hiệu suất anten thỏa mãn tiêu chuẩn định Băng thơng khoảng tần số, hai bên tần số trung tâm (thường tần số cộng hưởng) , đặc tính anten (như trở kháng vào,... 35 1.3.3 Anten xoắn chóp 39 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TỐN THIẾT KẾ ANTEN 43 2.1 Đặt vấn đề 43 2.1.1 Bài toán 43 2.1.2 Mục đích thiết kế anten xoắn cộng hưởng 300Mhz 43 2.1.3 Các tham số cần tính