Thiết kế ăngten mạch dải

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải LỜI NÓI ĐẦU Ngày sống thời kì đất nước lên đại hố – cơng nghiệp hố Thời kì khoa học kĩ thuật phát triển vũ bão, thời kì giao lưu mặt lĩnh vực quốc gia giới với cần tiếp cận sử dụng thơng tin có giá trị mặt thời gian có chất lượng Sức cạnh tranh ngành công nghiệp bắt nguồn từ việc tái tạo giá trị sản phẩm lớn hơn, việc thơng tin liên lạc đóng vai trị cốt lõi cho phát triển xã hội Hiện thơng tin xuất nhiều hình thức phương tiện, song thông tin vô tuyến điện giữ vai trị quan trọng Trong ăngten thiết bị khơng thể thiếu hệ thống thông tin vô tuyến điện Ăngten thiết bị xạ sóng điện từ thu sóng điện từ từ khơng gian bên ngồi Ăngten mắc trực tiếp gián tiếp với phide mạch máy phát mạch vào máy thu Được sử dụng vào mục đích khác thơng tin chuyển tiếp radar, vơ tuyến điều khiển u cầu ăngten có tính định hướng cao, nghĩa sóng xạ tập trung vào góc hẹp khơng gian Đối với đài phát vô tuyến truyền hình ăngten cần xạ đồng mặt phẳng ngang (mặt đất) Trong năm gần đây, ăngten mạch dải tập trung nghiên cứu nhiều đạt nhiều thành tựu công nghệ thực tiễn, lĩnh vực thông tin vô tuyến di dộng, thông tin vô tuyến mạng cục WLAN dải siêu cao tần Và ăngten mạch dải tỏ loại ăngten có nhiều tiện lợi hiệu Xuất phát từ yêu cầu thực tế kĩ thuật hướng dẫn thầy Đại tá – Tiến sĩ HỒN ĐÌNH THUN chọn đề tài đồ án: “Thiết kế ăngten mạch dải” Mục đích nghiên cứu đồ án nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình tính tốn ăngten mạch dải, sở tính tốn đặc trưng tham số ăngten Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Được hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy khoa Vơ tuyến điện tử, đặc biệt bảo tận tình thầy Đại tá – Tiến sĩ HỒNG ĐÌNH THUYÊN em hoàn thành đồ án Qua em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Vô tuyến điện tử, cảm ơn thầy Đại tá – Tiến sĩ Hồng Đình Thun bảo hướng dẫn tận tình em trình học tập trường trình làm đồ án Sau em xin trình bày nội dung đồ án Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải PHẦN I ĐẶC TRƯNG VÀ THAM SỐ CỦA ĂNGTEN Ăngten thiết bị dùng để xạ sóng điện từ thu nhận sóng từ khơng gian bên ngồi Ăngten phận quan trọng khơng thể thiếu hệ thống vơ tuyến điện hệ thống vơ tuyến điện có sử dụng sóng điện từ Một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản gồm máy phát, máy thu, ăngten phát ăngten thu Hình mơ tả sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến chiều: Hệ thống cung cấp tín hiệu Hệ thống xạ Hệ thống cảm thụ xạ Ăng ten thu Ăngten phát Máy phát Hệ thống gia cơng tín hiệu Thiết bị điều chế a Hệ thống phát Thiết bị xử lý Máy thu b Hệ thống thu Theo hình vẽ dao động điện từ điều chế máy phát tạo truyền tới ăngten phát Ăngten phát biến đổi lượng dao động điện từ dạng sóng liên kết thành lượng sóng điện từ tự xạ vào không gian theo hướng tới máy thu Một phần lượng tới ăngten thu hệ thống thu va biến đổi thành lượng dao động điện từ xuất ăngten thu Dao động điện từ đưa tới máy thu Trên hình vẽ sau mơ tả sơ đồ khối Radar Trong trường hợp sóng điện từ phát xạ ăngten phát truyền chum tia hẹp tới mục tiêu Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Một phần lượng sóng phản xạ từ mục tiêu quay trở lại ăngten thu 4(đặt gần ăngten phát) kích thích ăngten thu dao động điện từ đưa tới lối vào máy thu Từ mơ hình ta định nghĩa sau: - Ăngten phát thiết bị dùng để biến đổi lượng dao động điện từ liên kết từ máy phát đưa tới thành lượng sóng điện từ tự phát xạ vào không gian theo quy luật xác định - Ăngten thu thiết bị dùng để thu lượng sóng điện từ tự từ khơng gian bên ngồi tới theo quy luật xác định biến đổi lượng thành lượng dao động liên kết ăngten va cung cấp cho máy thu Như ăngten phát thu có q trình biến đổi lượng Trong q trình có tổn hao nhiệt kim loại làm ăngten chất điện môi cách điện lý tưởng Ngồi ta cịn thấy phát thu ăngten phải có tính định hướng xác định phù hợp với yêu cầu hệ thống vô tuyến Ăngten ứng dụng hệ thống thơng tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, vô tuyến điều khiển từ xa,… Mặt khác để kích thích sóng điện từ hệ thống định hướng ống dẫn sóng, hốc cộng hưởng,… người ta dùng kết cấu tương tự ăngten Ngày nay, phát triển kĩ thuật lĩnh vực radar, thông tin, điều khiển,… địi hỏi ăngten khơng đơn làm nhiệm vụ xạ hay thu sóng điện từ mà cịn tham gia vào q trình gia cơng tín hiệu Tất tiêu kĩ thuật ăngten chia thành nhóm phù hợp với nhiệm vụ ăngten: - Biến đổi sóng điện từ liên kết thành sóng điện từ tự phát xạ vào khơng gian ngược lại - Phát xạ có hướng hay thu có hướng sóng điện từ Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Tồn tốn xác định tiêu kĩ thuật(các tham số đặc trưng) ăngten chia làm nhóm: - Nhóm 1: gồm tốn tính trường vùng gần, việc giải toán cho phép xác định tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi ăngten như: trở vào, hiệu suất, dải tần cơng tác, cơng suất cực đại cho phép - Nhóm 2: gồm tốn tính trường vùng xa Việc giải tốn ta xác định tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính định hướng ăngten trường ăngten vùng xa như: đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực, hệ số tác dụng định hướng, công suất xạ Ta hiểu vùng xa ăngten vùng không gian bao gồm điểm cách đủ xa ăngten cho tồn sóng tự xạ từ ăngten phía vơ cực Tại vùng không tồn lượng vô công liên kết với ăngten, phần lượng định vị vùng gần ăngten Giả sử ăngten có kích thước chiều dài L, điểm cách ăngten khoảng r xem thuộc vùng xa phải thoả mãn điều kiện: L2 r » λ r » λ Ở đây: r _ khoảng cách đến điểm quan sát λ _ bước sóng 1.1 Đặc trưng hướng ăngten Từ lý thuyết trường ta biết: biên độ phức cường độ trường nguồn phát xạ sóng điện từ điểm tuỳ ý vùng xa viết dạng sau: Ё = IA r f ( θ , ϕ ) ej φ ( θ , ϕ ) e-jkr (1.1) Trong đó: r, θ, φ toạ độ điểm quan sát hệ toạ độ hình Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải cầu: hình 2π k= λ số sóng IA biên độ dịng điểm ú trờn ngten f(,).ej (,) = fă (,) l hàm phức phụ thuộc vào cấu trúc ăngten; φ (θ,φ) pha trường Hình Đặc trưng hướng ăngten Định nghĩa: Hàm f(θ,φ), tức mô đun ca hm fă (,) xỏc nh s ph thuc ca biên độ cường độ trường ăngten điểm nằm vùng xa cách ăngten vào hướng quan sát gọi đặc trưng hướng ăngten Biểu diễn hình học đặc trưng hướng khơng gian ăngten mặt cầu kín đầu mút bán kính vectơ hệ toạ độ cầu vẽ nên Bán kính vectơ có mơdun tỉ lệ với biên độ cường độ điện trường Trong thực tế thường gặp 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 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Hình Một số dạng đặc trưng hướng Trường hợp ăngten phát sóng phân cực elip biểu diễn dạng tổng trường phân cực tuyến tính Các vectơ điện trường E θ ⃗θ ⃗ Eφ ϕ vng góc va lệch pha góc δ Do ăngten phân cực elip ta phải phân biệt đặc trưng hướng theo thành phần θ thành phần φ: fθ(θ,φ) fφ(θ,φ) Để dễ dàng so sánh tính định hướng ăngten khác nhau, người ta đưa vào khái niệm đặc trưng hướng chuẩn hố Đó tỉ số giá trị đặc trưng hướng f(θ,φ) theo hướng với giá trị cực đại fmax F(θ,φ) = f (θ , ϕ) f max (1.2) *) Các phương pháp mô tả đặc trưng hướng: - Đặc trưng hướng không gian (biểu diễn không gian hàm f(θ,φ)) không tiện cho việc mơ tả tính định hướng ăngten, người ta thường dùng phương pháp mô tả đặc trưng hướng mặt phẳng Ta gọi giao tuyến đặc trưng hướng không gian với mặt phẳng qua hướng phát xạ cực đại đặc trưng hướng phẳng (hay giản đồ hướng) Từ nói tới đặc trưng hướng ta hiểu đặc trưng hướng phẳng Người ta thường mô tả đặc trưng hướng mặt phẳng vng góc (hình 1.3) Hình 1.3 Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Hình 1.4 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải → Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại chứa vectơ E gọi mặt phẳng E → Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại chứa vectơ H gọi mặt phẳng H Có thể vẽ đặc trưng hướng toạ độ cực toạ độ vng góc Đặc trưng hướng vẽ toạ độ cực cho ta thấy tính định hướng ăngten cách trực quan nhất, đặc trưng hướng toạ độ vng góc biểu diễn xác Thơng thường đặc trưng hướng có số cực đại, ta nói đặc trưng hướng có nhiều cánh sóng (hình 1.4) Cánh có hướng phát xạ cực đại với cường độ lớn gọi cánh chính, cánh lại gọi cánh phụ (hoặc cánh bến) Nếu cánh phụ có cực đại ngược chiều với cánh gọi cánh sóng sau Ngồi đặc trưng hướng theo cường độ trường, người ta dùng đặc trưng hướng tính theo cơng suất Fp(θ,φ) Hàm Fp(θ,φ) mơ tả phụ thuộc mật độ dịng cơng suất điểm cách ăngten vào hướng quan sát (hình 1.5a) Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Hình 1.5 Đặc trưng hướng theo decibel Vì mật độ dịng cơng suất tỉ lệ với bình phương cường độ điện trường nên: Fp(θ,φ) = F2(θ,φ) (1.3) Người ta cịn biểu diễn đặc trưng hướng theo decibel (hình 1.5b) Với cách biểu diễn mức cánh phụ nhỏ đánh giá trực quan dễ hơn: Fdb(θ,φ) = 10lgFp(θ,φ) = 20lgF(θ,φ) (1.4) Người ta gọi góc mở cánh sóng theo mức nửa cơng suất (2θ 0,5) góc phương ứng với giá trị Fp(θ,φ) = 0,5 hay F = 0,707 Từ (1.4) ta có: 2θ0,5 = 2θ-3db (1.5) Ăngten có đặc trưng hướng hình xuyến ăngten vô hướng (trong mặt phẳng) thường dùng vô tuyến truyền tin, phát thanh, … Ăngten với đặc trưng hướng hình kim có tính định hướng gần mặt phẳng (mặt phẳng E mặt phẳng H) Các ăngten thường dùng đài Radar để theo dõi mục tiêu toạ độ góc Ngồi ta chúng cịn dùng thông tin viba, vô tuyến thiên văn, … Ăngten có đặc trưng hướng hình quạt có mức độ định hướng khác mặt phẳng thường dùng để xác định toạ độ góc mục tiêu kĩ thuật Radar 1.2 Đặc trưng pha ăngten Đặc trưng pha ăngten mặt hình học tạo điểm vùng xa mà vectơ cường độ trường có giá trị pha Ta cho biểu thức pha cường độ trường (1.1) số: Ф(θ,φ) - kr(θ,φ) = const Từ ta tìm biểu thức đặc trưng pha: r(θ,φ) = φ ( θ , ϕ )−const k Giá trị const biểu thức xác định từ điều kiện: r = r Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải (θ,φ) = (0,0) Do đó: Ф(0,0) – kr0 = const r(θ,φ) = r0 + Δφ ( θ , ϕ ) k (1.6) Với φ (θ,φ) - φ (0,0) = Δ φ (θ,φ) Nếu biểu thức (1.6) biểu diễn mặt cầu xem ăngten nguồn phát xạ điểm Tâm mặt cầu gọi tâm phát xạ hay tâm pha Trường hợp tổng quát đặc trưng pha mặt cầu ăngten khơng có tâm pha xác định Cơ thể chứng minh ăngten dây (chẳng hạn chấn tử) có tâm pha nằm ăngten trường hợp phân bố biên độ dòng ăngten hàm chẵn điểm phân bố pha không đổi hàm lẻ so với điểm ăngten Trong trường hợp ăngten khơng có tâm pha, ta tiệm cận phần mặt phẳng pha mặt cầu Như phần ta có tâm pha Tập hợp tâm pha ứng với tất khoảng nằm miền quanh chỗ đặt ăngten Người ta thường biểu diễn hàm đặc trưng pha mặt phẳng E H Trong khơng gian qua hướng phát xạ 0, pha trường lại thay đổi đột ngột 1800 Vì đặc trưng pha phẳng ăngten có nhiều cánh sóng có chỗ nhảy bậc (hình 1.6 Đặc trưng pha ăngten) 1.3 Đặc trưng phân cực ăngten Trường ăngten điểm vùng xa không đặc trưng Cao Thành Trung_ĐTVT K11