Reconfigurable Aperture Antennas ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI GV TẠ SƠN XUẤT E mail xuat tason@hust edu vn mailto xuat tason@hust edu vn 2 Thông tin chung Học ph[.]
TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG GV: TẠ SƠN XUẤT E-mail: xuat.tason@hust.edu.vn Thơng tin chung Học phần: Anten truyền sóng Mã học phần: ET3280 Thời gian: 16.5 tuần Tỷ trọng: Anten (70%), truyền sóng (30%) Làm tập lớn lấy điểm trình TÀI LIỆU THAM KHẢO: C A Balanis, Antenna theory: Analysis and design, 3rd edition, WILEY Interscience Trường điện từ Truyền sóng, Phan Anh, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 ANSYS Electronic Desktop https://indico.fnal.gov/event/13068/contribution/10/material/slides/1.pdf Nội dung môn học Tuần Nội dung Chương Giới thiệu chung + + Chương Các tham số anten 5+6 Chương Anten chấn tử lý thuyết ảnh 7+8 Chương Lý thuyết mảng NGHỈ, không thi kỳ 10 Chương Một số loại anten thông dụng 11 + 12 13 14 + 15 Chương Hướng dẫn thiết kế anten sử dụng phần mềm chuyên dụng Chương Giới thiệu truyền sóng vơ tuyến Chương 8: Truyền sóng mặt đất ảnh hưởng tầng đối lưu 16 BẢO VỆ BÀI TẬP LỚN VÀ ÔN TẬP 17 BẢO VỆ BÀI TẬP LỚN VÀ ÔN TẬP Chương 1: Giới thiệu chung Mục đích môn học Phần I - Anten: ▪ Giới thiệu khái niệm lý thuyết anten ▪ Hiểu tham số anten ▪ Hiểu nguyên lý xạ số loại anten thông dụng ▪ Giới thiệu kỹ thuật anten Phần II – Truyền sóng: Giới thiệu tượng truyền sóng hệ thống thơng tin liên lạc tĩnh và/hoặc thiết bị di động (VD: hệ thống vi-ba, thông tin di động, thông tin vệ tinh, …) Bạn cần chuẩn bị cho mơn học? Bạn cần chuẩn bị cho mơn học? LÝ THUYẾT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ CƠ BẢN ➢ Phương trình Maxwell: ➢ Sóng điện từ, mặt sóng, trường điện từ biến thiên, điều kiện biên, điều kiện miền ➢ Năng lượng trường điện từ, véc-tơ Poynting ➢ Đường truyền cao tần: ống dẫn sóng hình chữ nhật, cáp đồng trục, đường truyền mạch in, … ➢ Hệ số phản xạ, VSWR, hệ số tổn hao ngược, … Anten gì? Định nghĩa: Anten thiết bị phát thu sóng điện từ Về mặt kỹ thuật: Anten cấu trúc chuyển tiếp sóng điện từ khơng gian tự ống dẫn sóng Anten gì? Anten cấu trúc chuyển tiếp sóng điện từ khơng gian tự ống dẫn sóng Cơ chế xạ Cho dây dẫn có chứa điện tích, mật độ dịng: Mật độ dòng điện mặt: Dòng điện dây dẫn mảnh: với Dịng biến đổi theo thời gian: với Ta có: => để có xạ cần có dịng biến thiên (hay gia tốc điện tích) 10 Phân tích thiết kế anten Biểu thức dạng đóng Phân tích Hiểu rõ chất vật lý Vô phức tạp cho cấu trúc thật Sát với ứng dụng thật Theo kinh nghiệm Mơ Chi phí cao Mất nhiều thời gian Ngày tinh vi Trực quan Tính xác? (cần kiểm chứng) 20 Mục tiêu thiết kế anten a) Tối ưu lượng trường điện từ xạ từ mạch không gian tự ngược lại 21 Mục tiêu thiết kế anten b) Điều khiển đặc tính xạ 22 Phân loại anten ❑ Dựa vào đặc tính điện (Electrical Property): ❑ Electrically small antenna (ka < 1) ❑ Anten cộng hưởng (resonant antennas) ❑ Anten băng rộng (Broadband antennas) ❑ Anten độ (Aperture antennas) ❑ Dựa vào cấu trúc vật lý (Physical structure): ❑ Anten dây (dipole, vòng, xoắn lò xo, …) ❑ Anten phẳng (mạch in, khe, …) ❑ Anten bề mặt (loa, phản xạ, ) 23 Phân loại anten 24 Tổng kết - Anten: thiết bị chuyển đổi sóng điện từ giằng buộc đường truyền thành sóng điện từ không gian tự và ngược lại - Mục tiêu thiết kế: Tối ưu công suất xạ được cung cấp từ ng̀n phát Đạt được đặc tính xạ mong muốn - Cơ chế xạ: Vai trò điện tích và dịng điện Vai trò cấu trúc anten - Các anten khác có đặc tính khác nhau, và phù hợp cho ứng dụng cụ thể Bài tập nhà Vẽ lại đồ thị xạ trường xa nguồn xạ nguyên tố Dipol điện Trường xạ khu xa của dipole điện: 𝐼𝑜 𝑙 𝑘 −𝑖𝑘𝑟 𝐻𝜑 = 𝑖 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑒 = 𝐼𝑜 𝑙𝑒 −𝑖𝑘𝑟 𝑠𝑖𝑛𝜃 4𝜋 𝑟 2𝜆𝑟 𝐸𝑟 = 0, 𝜔𝜇 𝑒 −𝑖𝑘𝑟 𝑍0 𝐸𝜃 = 𝑖 𝐼𝑜 𝑙 𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝐼𝑜 𝑙𝑒 −𝑖𝑘𝑟 𝑠𝑖𝑛𝜃 4𝜋 𝑟 2𝜆𝑟 Dipol từ Trường xạ khu xa của dipole từ: 𝐸𝜃 = 𝑖𝑘𝐼𝑚 𝑙 𝑒 −𝑖𝑘𝑟 𝐸𝜑 = − 𝑠𝑖𝑛𝜃 4𝜋 𝑟 𝑘 𝑒 −𝑖𝑘𝑟 𝐻𝜃 = 𝑖 𝐼 𝑙 𝑠𝑖𝑛𝜃 4𝜋𝑍0 𝑚 𝑟 𝐻𝜑 = Vòng điện nguyên tố Trường xạ khu xa của vòng điện nguyên tố: 𝐸𝜃 = 𝑍0 𝐼𝑣𝑒 𝑘𝜌 𝑒 −𝑖𝑘𝑟 𝐸𝜑 = 𝐽1 𝑘𝜌𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑟 𝐼𝑣𝑒 𝑘𝜌 𝑒 −𝑖𝑘𝑟 𝐻𝜃 = − 𝐽 𝑘𝜌𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑟 𝐻𝜑 = Với 𝐽1 𝑥 = −𝑖 2𝜋 𝑖𝑥𝑐𝑜𝑠Φ 𝑐𝑜𝑠Φ𝑑Φ 𝑒 𝜋 Vịng từ ngun tớ Trường xạ khu xa của vòng từ nguyên tố: 𝐻𝜃 = 𝐼𝑣𝑚 𝑘 2 𝑒 −𝑖𝑘𝑟 𝐻𝜑 = 𝜋𝜌 𝑠𝑖𝑛𝜃 4𝜋𝑍0 𝑟 𝐼𝑣𝑚 𝑘 2 𝑒 −𝑖𝑘𝑟 𝐸𝜃 = 𝜋𝜌 𝑠𝑖𝑛𝜃 4𝜋 𝑟 𝐸𝜑 = Nguyên tố xạ hỗn hợp Trường xạ khu xa của nguyên tố xạ hỗn hợp: 𝐼ym 𝑒 = aZ0 𝐼𝑥 𝐸ത𝜃 = 𝑖𝑘 − 𝑍0 𝐼𝑥𝑒 𝑙𝑐𝑜𝑠𝜑(𝑐𝑜𝑠𝜃 4𝜋 𝑒 −𝑖𝑘𝑟 + 𝑎) 𝑖𝜃ҧ 𝑅 𝑖𝑘 𝑒 𝐸ത𝜑 = − 𝑍0 𝐼𝑥𝑒 𝑙𝑠𝑖𝑛𝜑(1 + 𝑎𝑐𝑜𝑠𝜃) 4𝜋 −𝑖𝑘𝑟 𝑅 𝑖𝜑 ҧ Cặp dipol điện vng góc Trường xạ khu xa của cặp dipol đặt vng góc: 𝜋 𝑒 𝑖2 𝐼2 𝑒 = −𝑖𝐼1𝑒 𝑖𝑘 𝑒 𝐸ത𝜃 = − 𝑍0 𝐼1𝑒 𝑙𝑐𝑜𝑠𝜃𝑒 −𝑖𝜑 4𝜋 −𝑖𝑘𝑟 𝑅 𝑖𝜃ҧ 𝜋 𝑒 −𝑖𝑘𝑟 𝑖𝑘 𝐸ത𝜑 = − 𝑍0 𝐼1𝑒 𝑙𝑐𝑜𝑠𝜃𝑒 −𝑖(𝜑+ ) 𝑖ҧ 4𝜋 𝑅 𝜑 HOW TO DESIGN AN ANTENNA? Các bước để thiết kế Anten Understanding Antenna Requirements Chọn loại Ăng-ten Type Tính tốn sơ kích thước Approximate Calculating Ăng-ten Modeling in Simulators (HFSS, CST, FEKO, …) phải thiết kế Choosing The Basic Antenna Antenna Parameters Parametric Studies Optimization Mơ hình Ăng-ten phần mềm (HFSS, CST, FEKO, …) Applying Techniques to Improve the Antenna Performances Sử dụng kỹ thuật để cải thiện đặc tính Ăng-ten Nghiên cứu tham số Ăng-ten Fabrication and Measurement Xác định rõ yêu cầu ăng-ten Dựa vào nghiên cứu trên, tối ưu hóa Ăng-ten Integrating with other Chế tạo đo đạc Components, tunning Tích hợp với thiết bị khác hiệu chỉnh