thiết kế anten mạch dải phân cực tròn

Khoa Điện tử viễn thông LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hay công trình đã có từ trước. Em hoàn thành đồ án dựa trên kiến thức đã học được và các tài liệu tham khảo. Tác giả đồ án: Võ Hữu Ngọc Huy Lớp : 08DT2 Trường: Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2013 Chữ kí MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: LÝ THUYẾT ANTEN 1.1 Giới thiệu chương.…………………………………………………………………….6 1.2 Khái niệm về anten ………………………………………………………………… 6 1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ………………………………………….7 1.4 Các thông số cơ bản của anten ……………………………………………………….7 1.4.1 Trở kháng vào của anten …………………………………………………………8 1 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông 1.4.2 Hiệu suất của anten ………………………………………………………………8 1.4.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích ………………………………………………9 1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten ……………………………… 10 1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ……………………………………12 1.4.6 Tính phân cực của anten ……………………………………………………… 12 1.4.7 Dải tần của anten……………………………………………………………… 13 1.5 Các hệ thống anten ………………………………………………………………….13 1.6 Kết luận chương …………………………………………………………………… 14 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI 2.1 Giới thiệu chương 15 2.2 Anten vi dải15 2.2.1 Giới thiệu16 2.2.2 Hoạt động của Anten vi dải19 2.2.3 Uu nhược điểm và ứng dụng của anten vi dải20 2.3 Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải 21 2.4 Dải thông của anten vi dải 22 2.5 Phân cực của anten vi dải 22 2.6 Các phương pháp phân tích anten vi dải 24 2.7 Kết luận chương 26 Chương 3 THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI PHÂN CỰC TRÒN 3.1 Giới thiệu chương 27 3.2 Giới thiệu một vài anten vi dải phân cực tròn 27 3.3 Ví dụ thiết kế 28 3.4 Bài toán thiết kế anten vi dải phân cực tròn 30 3.5 Kết luận chương CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu chương 34 4.1 Giới thiệu phần mềm HFSS 34 4.2 Mô phỏng bài toán 36 4.2.1 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải 36 4.2.2 Tiếp điện bằng cáp đồng trục 42 4.3 Kết quả mô phỏng 46 2 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông 4.3.1 Trường hợp đường truyền vi dải 46 4.3.2 Trường hợp cáp đồng trục 49 4.4 Kết luận chương 51 KẾT LUẬN CHUNG PHỤ LỤC LỜI NÓI ĐẦU Anten là thiết bị quan trọng không thể thiếu trong mọi hệ thống truyền thông không dây. Nó là thiết bị chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ định hướng thành sóng điện từ lan truyền trong không gian tự do và ngược lại. Anten và đường dây dẫn (feeder) đóng vai trò là thiết bị ghép giữa các mạch điện tử và không gian tự do, feeder là bộ phận giao tiếp giữa anten và mạch điện tử. Ngõ vào của feeder phải phối hợp trở kháng với máy phát, còn antenna phát nhận năng lượng từ máy phát qua feeder và bức xạ ra không gian. Ngoài việc phối hợp trở kháng yêu cầu đối với anten còn phải đáp ứng về độ lợi và phương hướng bức xạ. Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống truyền thông vô tuyến người ta sử dụng rất nhiều loại anten khác nhau, như anten parabol với độ lợi và tính định hướng cao thường được sử dụng trong truyền hình, thông tin vi ba, thông tin vệ tinh còn ở đầu cuối thường sử dụng các loại anten nhỏ như anten Yagi,anten dây, và đặc biệt cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ của các đầu cuối di động và xu hướng của thời đại mới là nhỏ gọn, đa ứng dụng thì anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi và không ngừng cải tiến để đáp ứng nhu câu của ngươi sử dụng. Đặc điểm nổi bật của anten loại này là nhỏ gọn, dễ chế tạo, có độ định hướng tương đối cao, và đặc biệt là dễ 3 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu. Những đặc tính trên đã giúp antnen vi dải được quan tâm nhiều hơn trong công nghệ tương lai và hiện tại nó được sử dụng rất rộng rãi như trong công nghệ di động, mạng WLAN, anten thông minh và hệ thống tích hợp siêu cao tần. . Xuất phát từ yêu cầu thực tế kĩ thuật và ưu điểm của loại anten này nên em chọn đề tài đồ án: “Thiết kế anten mạch dải phân cực tròn”. Mục đích nghiên cứu của đồ án là nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình tính toán mô phỏng một vài loại anten vi dải phân cực tròn, trên cơ sở đó tính toán các đặc trưng,tham số của anten và so sánh chất lượng của từng loại đó Sau đây em xin trình bày những nội dung của đề tài: gồm 4 chương Chương 1: Lý thuyết Anten Trong chương này sẽ giới thiệu một cách sơ lược về lý thuyết chung về anten, anten vi dải Chương 2: Giới thiệu Anten vi dải Tìm hiểu anten vi dải và tìm hiểu một vài tham số cơ bản về kỹ thuật của anten vi dải. Chương 3: . Thiết kế anten vi dải phân cực tròn Giới thiệu một anten vi dải phân cực tròn.Tính toán, thiết kế loại anten vi dải em chọn Chương 4: . Mô phỏng anten bằng phần mền HFSS Giới thiệu phần mềm mô phỏng.Kết quả mô phỏng Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ từ các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông cũng như bè bạn trong khoa, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của cô Trần Thị Hương. Em xin được gửi lời chân thành cảm ơn tới cô Trần Thị Hương cùng các thầy cô và bạn bè trong khoa Điện tử Viễn thông đã có những giúp đỡ cũng như những ý kiến đóng góp quý báu cùng góp phần hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt ra. 4 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Thiết bị điều chế Máy phát Hệ thống cung cấp n hiệu Hệ thống bức xạ Anten phát Thiết bị xử lý Máy thu Hệ thống cảm thụ bức xạHệ thống gia công n hiệu Anten thu Khoa Điện tử viễn thông Chương 1: LÝ THUYẾT ANTEN 1.1 Giới thiệu chương Trong chương này sẽ giới thiệu về vị trí của anten, giới thiệu một cách ngắn gọn về các tham số của anten là các thông số kỹ thuật của nó giúp ta có cái nhìn chung về anten để tiến hành thiết kế về sau. 1.2 Khái niệm về anten Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài. Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, rada điều khiển v.v cũng đòi hỏi anten 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. Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu). 5 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông Hình 1.1 Hệ thống anten thu và phát 1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ Anten hoạt động dựa trên hiện tượng bức xạ sóng điện từ và ta có thể hiểu như sau Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định. Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ so với bước sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh từ trường biến thiên. Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc với các phần tử của mạch. Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy. Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ. 6 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công. 1.4 Các thông số cơ bản của anten Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây : - Trở kháng vào - Hiệu suất - Hệ số định hướng và độ tăng ích. - Đồ thị phương hướng. - Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương. - Tính phân cực - Dải tần của anten. 1.4.1 Trở kháng vào của anten Trở kháng vào của anten Z A bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện áp U A đặt vào anten và dòng điện I A trong anten. AA A A A jXR I U Z +== (1.5) Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten. Thành phần thực của trở kháng vào R A được xác định bởi công suất đặt vào anten PA và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten I Ae Ae A A I P R = (1.6) Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng. 7 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra máy phát và đầu vào của anten. 1.4.2 Hiệu suất của anten Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten A η chính là tỷ số giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay PA A bx A P P = η (1.7) Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối với anten có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó A η < 1. Gọi công suất tổn hao là Pth thbxA PPP += (1.8) Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện trở bức xạ Rbx và Rth vậy ta có: ( ) thbxAeAAeA RRIRIP +== 22 . (1.9) Từ biểu thức (1.7) ta viết lại thành: thbx bx thbx bx A RR R PP P + = + = η (1.10) 1.4.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau người ta đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ số khuếch đại hoặc độ lợi). Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của 8 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Anten lý tưởng là anten có hiệu suất A η = 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo mọi hướng. Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn tử đối xứng nửa bước sóng. Hệ số định hướng của anten D(θ,ϕ) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (θ,ϕ) nào đó )0( ),( )0( ),( ),( 2 11 2 11 11 E E P P D bx bx ϕθϕθ ϕθ == (1.11) Trong đó: D( 11 , ϕθ ) là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương ( 11 , ϕθ ); Pbx ( 11 , ϕθ ) và Pbx (0) là công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với hướng ( 11 , ϕθ ) và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét. E( 11 , ϕθ ), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng. Điều này có nghĩa là phải tăng lên D( 11 , ϕθ ) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten vô hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E( 11 , ϕθ ). Hệ số tăng ích của anten G(θ,ϕ) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao cho vẫn giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (θ,ϕ). ),(),( ϕθηϕθ DG A = (1.12) 9 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức xạ và hiệu suất của anten. Từ (1.12) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định hướng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được Pbx theo công thức sau: AAbx GPP .= (1.13) 1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten phát hoặc thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức xạ, không thu được sóng điện từ. Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tính của anten. Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten. Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảng cách bằng nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tương ứng với các phương của điểm xem xét. Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực 10 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 [...]... 2013 Khoa Điện tử viễn thông Chương 3 ANTEN VI DẢI PHÂN CỰC TRÒN TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI PHÂN CỰC TRÒN 3.1 Giới thiệu chương Chương 3 sẽ giới thiệu một số loại anten vi dải phân cực tròn, và sẽ bắt đầu đi vào thiết kế một anten cụ thể Ở đây em xin chọn một ứng dụng của anten vi dải phân cực tròn mà em đã tìm hiểu 3.2 Giới thiệu một số anten vi dải phân cực tròn Hình dưới đây biểu diển một số... của anten 2.5 Tính phân cực của anten vi dải Sự phân cực của anten là phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất định, nó thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện Tuỳ vào mục đích sử dụng mà ta có thể tạo ra các trường bức xạ phân cực thẳng hoặc phân cực tròn bằng cách sử dụng các biện pháp thích hợp Với các biện pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten vi dải là trường phân cực thẳng... Hình 2.2 Các hình dạng của anten mạch dải dạng tấm 16 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông • Anten dipole mạch dải (Printed Dipole Antenna), gồm có các tấm dẫn điện giống như anten mạch dải dạng tấm tuy nhiên anten dipole mạch dải gồm có các tấm đối xứng ở cả 2 phía của tấm điện môi Hình 2.3 Cấu trúc anten dipole mạch dải • Anten khe mạch dải (Printed Slot Antenna), gồm có khe hẹp ở... thông số cơ bản cần để thiết kế anten bằng phần mềm HFSS sẽ được giới thiệu ở chương sau Chương 4 MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI PHÂN CỰC TRÒN BẰNG PHẦN MỀM HFSS 4.1 Giới thiệu chương Có rất nhiều phần mềm để mô phỏng một anten trên máy tính Trong đồ án này em sử dụng phần mềm để mô phỏng anten vi dải phân cực tròn và ở chương 4 này em xin giới thiệu sơ bộ về phần mềm,tiến hành thiết kế anten với các thông số... hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn thì phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng Trong trường hợp tổng quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng và tròn chỉ là trường hợp riêng Tuỳ vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực Ví dụ để truyền lan hoặc thu sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao... Hình 2.1 – Các dạng anten vi dải thông dụng 2.2.1 Cấu tạo Anten mạch dải bản chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe.Mỗi phần tử anten mạch dải gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế anten mạch dải còn có tên là là anten mạch in [1] 15 Đồ án... trúc anten mạch dải Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ dày chất nền h, hằng số điện môi ε Tuỳ thuộc vào giá trị các thông số trên ta có các loại anten khác nhau Có 4 dạng cơ bản anten mạch dải : • Anten mạch dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna), gồm có tấm dẫn điện ở trên một phía của tấm điện môi Tấm dẫn điện có thể là hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, ... thống anten  Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF, anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh  Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa  Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu sóng vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz)  Anten phục vụ nghiên cứu khoa học 1.6 Kết luận chương Anten. .. số hình dạnh của phiến kim loại (tấm patch) của anten vi dải. bất kể là hình vuông, tròn, tam giác, ngũ giác,nhẫn đều có thể bức xạ phân cực tròn 26 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông Trong thực tế thì anten vi dải có patch la hình vuông và tròn được sử dụng rộng rải,với việc tiếp diện thích hợp thì sẽ có được anten vi dải phân cực tròn - Có 2 hình thức tiếp diện: • Tiếp điện ở hai... số hệ thống anten Trong chương tiếp theo sẽ tìm hiểu cụ thể về một loại anten, anten vi dải 13 Đồ án tốt nghiệp đại học 2013 Khoa Điện tử viễn thông Chương 2: ANTEN VI DẢI 2.1 Giới thiệu chương Chương 2 sẽ trình bày sơ lược về cấu tạo của anten vi dải, sự hoạt động cũng như ưu nhược điểm của nó Và tìm hiểu một vài công thức để phục vụ cho thiết kế ở chương sau 2.2 Anten vi dải Anten vi dải được quan . thuật của anten vi dải. Chương 3: . Thiết kế anten vi dải phân cực tròn Giới thiệu một anten vi dải phân cực tròn. Tính toán, thiết kế loại anten vi dải em chọn Chương 4: . Mô phỏng anten bằng. pháp phân tích anten vi dải 24 2.7 Kết luận chương 26 Chương 3 THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI PHÂN CỰC TRÒN 3.1 Giới thiệu chương 27 3.2 Giới thiệu một vài anten vi dải phân cực tròn 27 3.3 Ví dụ thiết kế. động của Anten vi dải1 9 2.2.3 Uu nhược điểm và ứng dụng của anten vi dải2 0 2.3 Các phương pháp tiếp điện cho anten vi dải 21 2.4 Dải thông của anten vi dải 22 2.5 Phân cực của anten vi dải 22 2.6