nguyên lý sóng điện từ và thiết kế anten

Sóng điện từ 1.1 Sóng điện từ o Sóng điện từ hình thành khi một điện tích điểm dao động điều hòa: Khi tại một điểm A có một điện tích điểm dao động điều hòa với tần số ftheo phương thẳn

TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ SÓNG ĐIỆN TỪ

VÀ THIẾT KẾ ANTEN

YI NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTE

1 Sóng điện từ 2

1.1 Sóng điện từ 2

1.2 Tính chất của sóng điện từ 2

2 Nguyên lý cơ bản của trường điện từ và truyền sóng 3

2.1 Nguyên lý cơ bản trường điện từ 3

2.2 Quá trình truyền sóng trong không gian 4

2.3 Truyền sóng trong ống dẫn sóng và cáp quang 6

3 Antenna 7

II LÝ THUYẾT ANTENNA DIPOLE 8

1 Dipole Hertz : 8

2 Dipole nửa sóng (half wave length dipole) 10

III PHÂN TÍCH THIẾT KẾ ANTEN VÀ MÔ PHỎNG ANTEN DIPOLE NỬA SÓNG 12

1 Yêu cầu bài toán thiết kế 12

2 Phân tích thiết kế 12

3 Kết quả mô phỏng 16

4 Kết quả mô phỏng với cáp 75ΩΩ 20

5Ω Kết luận và hạn chế báo cáo 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

I NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN.

1 Sóng điện từ

1.1 Sóng điện từ

o Sóng điện từ hình thành khi một điện tích điểm dao động điều hòa:

Khi tại một điểm A có một điện tích điểm dao động điều hòa với tần số ftheo phương thẳng đứng nó tạo ra một điện trường biến thiên điều hòa với tần

số f, điện trường này lan truyền trong không gian dưới dạng sóng gọi là sóngđiện từ

o Sóng điện từ là quá trình truyền đi trong không gian của điện từ trường biếnthiên tuần hoàn trong không gian theo thời gian

o Năng lượng tỉ lệ lũy thừa bậc 4 tần số.

o

Sóng điện từ trong thông tin vô tuyến gọi là sóng vô tuyến Sóng cực ngắn có tần số

từ 100MHz đến 1000MHz được dùng nhiều trong truyền hình

2 Nguyên lý cơ bản của trường điện từ và truyền sóng

2.1 Nguyên lý cơ bản trường điện từ

o Khái niệm: trường điện từ hay trường Maxwell là một trong những trường củavật lý học, là dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mang điện, làtrường thống nhất của điện trường và từ trường

o Các luận điểm chính của trường điện từ:

i Luận điểm thứ nhất của Maxwell

- Phát biểu: bất kỳ một từ trường nào biến đổi theo thời gian cũng sinh rađiện trường xoáy

- Biểu thức:

B rot E

ii Luận điểm thứ hai của Maxwell

- Phát biểu: bất kỳ một điện trường nào biến thiên theo thời gian cũng sinh

- Năng lượng trường điện từ:

Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian tạo thànhmột trường thống nhất gọi là trường điện từ, là một đại lượng vật chấtđặc trưng cho các hạt mang điện

Mật độ năng lường trường từ:

Năng lượng trường điện từ:

2.2 Quá trình truyền sóng trong không gian

 Phân loại các loại sóng

- Sóng dài(  =1km-10km) có năng lượng nhỏ nên không truyền đi xađược, ít bị nước hấp thụ nên thường được dùng trong thông tin liên lạctrên mặt đất và nước.

- Sóng trung(=100m-1000m): ban ngày bị tầng điện ly hấp thụ mạnhnên không truyền đi xa được, ban đêm không bị hấp thụ

- Sóng ngắn ( =10m-100m): có năng lượng lớn, bị tầng điện ly và mặtnước phản xạ mạnh, vì vậy sóng từ đài phát có thể truyền đi mọi điểm

- Sóng cực ngắn ( =1m-10m): có năng lượng cực lớn, không bị tầng điện

ly phản xạ

 Truyền sóng trong không gian:

- Truyền sóng mặt đất: là truyền sóng trên mặt đất, bị suy giảm nhiều

do sự hấp thụ của trái đất, sự suy giảm phụ thuộc vào tần số, tần sốcàng cao thì suy hao càng mạnh, bề mặt biển do có độ dẫn điện mạnhnên làm cho cường độ tại điểm thu càng mạnh lên.Do đó truyền sóng bềmặt đất phù hợp với sóng dài và cực dài, ứng dụng trên biển

- Truyền sóng trong tầng đối lưu: là truyền trong tầng đối lưu chủ yếu

bằng phương thức phản xạ và khúc xạ

Hình 2 Truyền sóng trong tầng đối lưu

Cự ly truyền sóng cực đại trong tầng đối lưu là:

ax 17 ( ) 17 ( )

- Truyền sóng trong tầng điệnly: là sóng truyền mà khi truyền và tầng

điện ly, bị phản xạ về mặt đất, còn gọi là sóng trời

Hình 3 Truyền sóng trong tầng điện lyTầng điện ly có chứa các electron và ion dương ảnh hưởng đến quátrình truyền sóng điện từ:

 Mật độ electron tự do biến thiên làm cho các tia sóng điện từtruyền từ mặt đất bị phản xạ trở lại

 Ảnh hưởng của từ trường trái đất: sóng điện từ truyền vào tầngion sẽ phân chia làm hai thành phần phân cực khác nhau, do đókhi sóng đi ra khỏi tầng điện ly sẽ khác với ban đầu

2.3 Truyền sóng trong ống dẫn sóng và cáp quang

 Truyền sóng trong ống dẫn sóng:

Hình 4 ống dẫn sóng

Một số đặc điểm của ống dẫn sóng:

- Tổn hao thấp ( ở tần số cao và công suất lớn)

- Không thể hoạt động ở tần số thấp hơn tần số giới hạn, ứng dụng nhưmột bộ lọc thông cao

- Sóng truyền trong ống dẫn sóng ở mode TM hoặc TE

- Ứng với mỗi mode sóng tồn tại một tần số tới hạn

 Truyền sóng trong cáp quang

Hình 5 Truyền sóng trong cáp quang Truyền sóng trong cáp quang dựa vào tính chất phản xạ toàn phần khitia sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quangkém, và góc tia tới lớn hớn góc tới hạn Tia sáng đi từ đầu sợi quang đếncuối sợi quang chụi sự suy hao do:

- Suy hao do tán xạ

- Suy hao do hấp thụ

- Suy hao do các mode rò rỉ

- Suy hao do ghép mode

- Suy hao do bị uốn cong

3 Antenna

o Anten là linh kiện điện tử có thể bức xạ và thu nhận sóng điện từ

o Trong hệ thống thông tin vô tuyến anten có hai chức năng cơ bản:

 Chức năng chính là bức xạ tín hiệu RF từ máy phát thành sóng vô tuyến

và chuyển đổi sóng vô tuyến thành tín hiệu RF tại máy thu

 Chức năng khác của anten đó là độ định hướng, tức là bức xạ theo mộthay nhiều hướng và thu theo theo các hướng mong muốn và khóahướng còn lại.

II LÝ THUYẾT ANTENNA DIPOLE

Ta thấy cường độ trường phụ thuộc vào toạ độ khảo sát, dòng điện trên lưỡng cực

Điện trở bức xạ trong không gian tự do :

2 2

Hình 7 Đồ thị bức xạ của Dipole Hertz

Hình 8 Các đường sức trường điện bức xạ

2 Dipole nửa sóng (half wave length dipole)

Một đoạn dây dẫn thẳng có chiều dài l = /2 được kích thích bởi nguồn thôngqua đường dây truyền sóng đến điểm giữa đoạn dây Dòng điện chảy qua đoạn dâybiến thiên theo tọa độ z

Hình 9 Dipole nửa sóng và phân bố dòng điện trên dipole

Cường độ điện trường và từ trường của anten ( ở vùng xa ):

os( os )2

sin

jkR m

E H

2

2 0

Sau khi tích phân ta được :

236.6 m

Zin  73  j 42.5

Hiệu suất bức xạ :

os

rad rad l s

Hình 10 Đồ thị bức xạ của dipole nửa sóng

III PHÂN TÍCH THIẾT KẾ ANTEN VÀ MÔ PHỎNG ANTEN DIPOLE NỬA SÓNG

1 Yêu cầu bài toán thiết kế

Thiết kế anten dipole điển hình cho dải tần truyền hình của AVG

Lựa chọn các thông số cần thiết kế:

 Tần số trung tâm 770MHz

 Băng thông 700-850MHz

 Độ lợi 2 dBi

2 Phân tích thiết kế

o Thiết kế anten dipole điển hình em chọn anten dipole nửa sóng để thiết kế

o Các thông số cơ bản của anten dipole nửa sóng:

-Hình 11 ảnh hưởng của chiều dài anten tới đồ thị bức xạ.

Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến kết quả thiết kế anten:

 Chiều dài anten L

 Đường kính thanh D

 Chất liệu làm anten và hệ số điện môi môi trường

o Do không có công thức cụ thể để tính toán ra các tham số L, D nên phương phápthiết kế em lựa chọn ở đây là PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM QUA MÔ PHỎNGbằng phần mềm CST2009.

o Chất liệu mô phỏng anten được chọn là Cu (đồng), môi trường không khí  =1

 Nhận xét : băng thông 723-810MHz đã bao trùm dải tần truyền hình của

AVG nhưng tần số trung tâm là 763MHz trong khi cần thiết kế theo yêucầu bài toán ban đầu là 770MHz và đường kính D khá nhỏ không phù hợptrong thực tế

Qua quá trình mô phỏng em rút ra kết luận:

i Khi tăng chiều dài L, cố định đường kính D thì tần số trung tâm bịdịch về vùng tần số thấp hơn tần số thấp, ngược lại thì tần số trung tâm

Nhận xét: khi giảm chiều dài dipole_length (L) thì tần tần số cộng hưởng dịch

về vùng tần số cao và băng thông không thay đổi nhiều Khi 181.6mm thì tần số cộng hưởng khá gần với tần số trung tâm cần thiết kế

Bảng thống kê quá trình thực nghiệm mô phỏng

tâm

c

f f f

Đồ thị bức xạ:

Hình 13 Kết quả mô phỏng S11, Gain, đồ thị bức xạ

Kết quả: - băng thông đạt được: 138MHz (710-848MHz)

- Tần số trung tâm : 770MHz

- Độ lợi anten là: 2.14 dBi

 Nhận xét : tại vị trí tần số cộng hưởng giá trị S11 là -21.7 dB còn khá cao, do đó để

giảm S11 em giảm đường kính của thanh dẫn D=2.964mm để đạt công hưởng sâuhơn

Kết quả chỉnh sửa

S11:

Đồ thì bức xạ 3D:

Hình 14 Kết quả mô phỏng anten sau khi chỉnh sửa

Kết quả: -Băng thông 116MHz (721-837MHz)

Hình 15 Kết quả mô phỏng anten với cáp 75Ω

Nhận xét: khi mô phỏng với cáp đồng trục 75Ω ta thấy kết quả S11 đã cộng hưởng

sâu hơn (-53 so với -39 dB), điều này là do phối hợp trở kháng giữa cáp và anten đã tốt hơn rất nhiều (R anten=73Ω và R cáp=75Ω) Băng thông và độ lợi không đổi.

5 Kết luận và hạn chế báo cáo.

_Đã đưa ra được thiết kế cơ bản cho anten ở dải tần truyền hình AVG, Các kết quả đã

cơ bản đáp ứng được

-Hạn chế:+Phương pháp phân tích và đánh giá kết quả còn hạn chế

+Băng thông là khá rộng từ: 700-850MHz trong khi dải tần của AVG chỉ từ

750-800MHz.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Truyền sóng và anten, Tg: Lê Tiến Thường- Trần Văn Sư, ĐH BÁCH KHOA HCM

2 http://www.antenna-theory.com/antennas/halfwave.php

3 ANTENNA ENGINEERING HANDBOOK, 4th, DR JOHN L.VOLAKIS