báo cáo bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài tìm hiểu và thiết kế anten đơn cực mạch in printed monopole antenna

Cách truyền này tuy có độ chínhxác cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền.- Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp không thể xây- dựng được đường t

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

*************

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Đề tài: Tìm hiểu và thiết kế anten đơn cực mạch in

(Printed monopole antenna)

Giáo viên hướng dẫn: Cô Đoàn Thị Ngọc Hiền

Mã lớp: 142067

Nhóm thực hiện:

- Nguyễn Đức Dũng

- Nguyễn Ngọc Dương

- Nguyễn Văn Dương

- Nguyễn Văn Hải

- Trần Sơn Hải

- Bùi Trung Hiếu

- Nguyễn Trung Hiếu

- Hoàng Bá Hòa

20203382 20192794 20203389 20203699 20203409 20203703 20207986 20203426

Mục lục

Bảng phân công công việc 2

Lời nói đầu 3

Chương I: Lý thuyết 4

I Giới thiệu 4

1 Tổng quan về anten: 4

2 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ 4

3 Lịch sử ra đời của Ăng-ten đơn cực 5

4 Cấu tạo 6

5 Thông số kích thước 7

6 Phương pháp cấp nguồn: 8

7 Ưu nhược điểm và ứng dụng: 10

II Nguyên lý hoạt động 12

1 Nguyên lý bức xạ của anten đơn cực mạch in 12

2 Nguyên lý hoạt động 12

III Đặc tính của anten 13

1 Phân cực: 13

2 Độ tăng ích: 13

3 Đồ thị bức xạ: 14

4 Băng thông: 14

IV Một số loại anten đơn cực mạch in 15

1

B ng phân công công vi c ả ệ

- Nguyễn Đức Dũng

- Nguyễn Ngọc Dương

- Nguyễn Văn Dương

- Nguyễn Văn Hải

- Trần Sơn Hải

- Bùi Trung Hiếu

- Nguyễn Trung Hiếu

- Hoàng Bá Hòa

2

L i nói đâầu ờ

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con người ngày càng cao và thật sự cần thiết Việc sử dụng các hệ thống phát, thu vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của con người ở các khoảng cách xa một cách nhanh chóng và chính xác

Bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng Anten để phát hoặc thu tín hiệu Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp nhiều hệ thống Anten như: hệ thống Anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTS dung cho các mạng điện thoại di dộng Hay những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại di động, radio … cũng đều sử dụng Anten

Qua việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật Anten sẽ giúp ta nắm được các

cơ sở lý thuyết Anten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số cơ bản của các loại Anten thường dùng Đó là lý do nhóm chúng em chọn

đề tài “tìm hiểu và thiết kế Anten đơn cực mạch in”

Mục đích của đề tài là tìm hiểu và trình bày lịch sử, nguyên lý bức xạ, đặc tính, ứng dụng của anten đơn cực mạch in; sử dụng phần mềm ANSYS Electronics Destop thiết kế một anten đơn cực mạch in với các thông số kỹ thuật cho trước Như thế,giới hạn của đề tài chỉ trong phạm vi hẹp là nghiên cứu Anten đơn cực mạch in và các phần lý thuyết có liên quan Tuy nhiên đây là cơ sở rất quan trọng

để có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển kỹ thuật Anten

3

Ch ươ ng I: Lý thuyếết

I Giới thiệu

1 T ng quan vềề anten:ổ

- Ăng-ten là một cấu trúc được làm từ những vật liệu dẫn điện tốt, được thiết

kế sao cho có thể bức xạ sóng điện từ theo một kiểu nhất định một cách hiệu quả Ăng-ten có vai trò phát hoặc nhận sóng radio

- Nguyên lý hoạt động : dòng điện thay đổi theo thời gian trên bề mặt ăng-ten tạo ra bức xạ sóng điện từ

- Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện bằng

- hai con đường Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng,… “chuyên chở” sóng điện từ trực tiếp trên đường truyền dưới dạng dòng điện Sóng điện từ lan truyền trong hệ thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến) Cách truyền này tuy có độ chính xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền

- Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp không thể xây

- dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay thế bằng cách cho sóng điện từ bức xạ ra môi trường tự do Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến nơi thu Vậy cần phải có một thiết bị phát sóng điện từ ra không gian cũng như thu nhận sóng điện từ từ không gian, để đưa vào máy thu Chính loại thiết bị này được gọi là anten

- Anten là thiết bị quan trọng thiết yếu của hệ thống truyền thông, được

- thiết kế để bức xạ hay nhận sóng điện từ Anten có thể xem như là các thiết

bị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào (cáp đồng, ống dẫn sóng hay sợi quang)

- Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thóng, trong đó chủ yếu nhât là hệ thống bức xạ hoặc cảm thu 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 tiwr bức xạ với các yêu cầu khác nhau (phát), hoặc hệ thống gia công tín hiêu (thu)

2 Quá trình v t lý c a s b c x sóng đi n tậ ủ ự ứ ạ ệ ừ

- Anten hoạt động dựa trên hiện tượng bức xạ sóng điện từ và ta có thể hiểunhư sau:

4

- Về nguyên lý, bất kì 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 trunng 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 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 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 tỏa ra càng nhiều và tạp ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Điện trường biến thiên này truyền đi với vận tốc ánh sáng Khi đạt được khoảng cách khá xa so với nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là đường sức sẽ không ràng buộc với điện tích của hai má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian hay là hình thành một điện trường xoáy Theo quy luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi và từ trường biến đổi tiếp tục tạo ra điện trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ

- 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 nănglượng điện

từ ràng buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công

3 L ch s ra đ i c a Ăng-ten đ n c cị ử ờ ủ ơ ự

- Ăng-ten đơn cực được Guglielmo Marconi – một kỹ sư điện người Ý phát minh vào năm 1895 và được cấp bằng sáng chế vào năm 1896 Nó là một trong những thí nghiệm đầu tiên trong lịch sử về truyền thông vô tuyến Vì vậy, ăng-ten đơn cực còn được gọi là ăng-ten Marconi Đây là một nửa của một anten lưỡng cực được bố trí phía trên mặt phẳng dẫn điện Những ăng ten này được sử dụng phổ biến trong các mạng internet và truyền thông di động, chủ yếu được sử dụng cho cả truyền và nhận tín hiệu, do đó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông không dây

- Ăng-ten đơn cực mạch in bắt nguồn từ khoảng giữa thế kỷ 20 với sự phát triển của công nghệ in và nhu cầu ngày càng tăng đối với ăng-ten nhỏ gọn và nhẹ cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như hệ thống liên lạc di động và vi sóng

- Năm 1972, Munson và Howell đưa ra ý tưởng về ăng-ten mạch in, dẫn

- đến sự phát triển của ăng-ten đơn cực mạch in được thực hiện bởi King và Harrison vào năm 1974 Kể từ đó, ăng-ten đơn cực in đã trở thành một loại ăng-ten

5

được sử dụng rộng rãi do những ưu điểm của chúng, chẳng hạn như dễ tích hợp với bảng mạch in, cấu hình thấp và giá thành rẻ Với sự tiến bộ của công nghệ và nhu cầu ngày càng tăng đối với ăng-ten tần số cao hơn và mức tăng cao hơn, việc thiết

kế và phát triển ăng-ten đơn cực mạch in vẫn tiếp tục phát triển

Figure I- 1 Một số hình ảnh thực tế của anten đơn cực mạch in

4 Cấấu t oạ

Sơ đồ cấu trúc của của anten đơn cực mạch in:

- Anten đơn cực mạch in có cấu trúc đơn giản và dễ dàng sản xuất

- Một anten đơn cực mạch in thường bao gồm một phần tử bức xạ, một mặt đất và một đường dẫn, lớp điện môi nền

- Phần tử bức xạ thường được làm bằng một tấm dẫn điện hoặc một vết dẫn điện trên bảng mạch in (PCB)

6

Figure I- 2 Cấu trúc của anten đơn cực mạch in

- Mặt phẳng nối đất có thể là một tấm kim loại được nối với đất hoặc một phần của chính PCB

- Đường cấp dữ liệu thường là cáp đồng trục hoặc dấu vết vi dải trên PCB Người ta đã quan sát thấy rằng bằng cách làm dày các nhánh của ăng ten lưỡng cực hoặc đơn cực, băng thông có thể được tăng lên Lý do tăng băng thông với việc mở rộng các nhánh của lưỡng cực hoặc đơn cực là do bản chất của phân

bố dòng điện, vốn không còn ở dạng hình sin nữa Sự phân bố dòng điện đã được sửa đổi của các ăng-ten mở rộng như vậy không làm thay đổi đáng kể dạng bức xạ của ăng-ten, nhưng nó ảnh hưởng đáng kể đến trở kháng đầu vào.Anten đơn cực mạch in mang bản chất của anten đơn cực sản suất theo công nghệ mạch in (cấu tạo gần giống anten mạch in) nhưng phần ground bị cắt xén, hầu như không tương tác với miếng dẫn điện bên trên Gọi là đơn cực bởi thay vì có 2 trục đối xứng nhau qua nguồn, anten lại sử dụng 1 cánh tay là đường vi dải, phần còn lại là đất Để đạt được băng thông lớn, nhánh của vi dải được mở rộng ra ngoài mép của mặt phẳng nền để tạo thành anten đơn cực

5 Thông sôấ kích thước

Figure I- 3 Cấu tạo của anten đơn cực mạch in

Anten đơn cực mạch in có cấu trúc đơn giản và dễ dàng sản xuất Cấu trúc anten được hiển thị trong hình với:

7

• Ws và (L +L ) lần lượt là chiều dài và chiều rộng của anten;s g

• L và W là chiều dài và chiều rộng của miếng vá;

• L và (Wg s-Wf) lần lượt là chiều dài và chiều rộng của tương ứng là mặt phẳng miền bị cắt cụt;

• W là chiều rộng của đường truyền;f

• g là khoảng cách giữa miếng và mặt phẳng nền;

• h là độ dày của chất nền (phần màu trắng)

• Để đạt được kết hợp trở kháng tốt hơn, có thể chèn 1 khe cắm trên đỉnh mặt phẳng đất

Trong đó f là tần số thiết kế, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, là hằng số r ԑr

điện môi của chất nền, h là độ dày của chất nền

6 Phươ pháp cấấp nguôền:ng

Cách thức cấp nguồn : Một cực của nguồn nối với anten, cực còn lại nối xuống đất

Có hai phương pháp cấp nguồn cho ăng-ten đơn cực

a) Dùng cáp đồng trục (coaxial cable)

Trong cấp điện cho cáp đồng trục, các dây dẫn bên trong và bên ngoài của cáp đồng trục được kết nối với miếng vá vi dải và mặt phẳng nối đất Phương pháp cấp

8

nguồn này là một mạng lưới cấp nguồn không kết nối Ưu điểm của cáp đồng trục

là chế tạo dễ dàng, giảm thiểu bức xạ giả và cấp nguồn hiệu quả

b) Dùng đường vi dải ( microstrip line)

Trong loại nguồn cấp dữ liệu này, ăng ten vá được kết nối trực tiếp với đường cấp

dữ liệu vi dải

c) Dùng khe cắm trên Mặt phẳng Mặt đất hoặc Nguồn cấp dữ liệu Kết hợp Khẩu độ(Slot on the Ground Plane or Aperture Coupled Feed)

Có một khớp nối giữa ăng-ten vá vi dải và đường cấp điện thông qua một khe trong mặt phẳng nối đất Phương pháp cấp nguồn này cung cấp sự phân cực thuần túy của ăng-ten Ưu điểm của phương pháp này là giảm thiểu nhiễu đáng kể d) Dùng nguồn cấp tiếp xúc(Proximity Coupled Feed)

Phương pháp cấp nguồn này sử dụng hai chất nền điện môi: chất nền điện môi trên

và dưới Miếng vá vi dải được đặt ở mặt trên của chất nền điện môi trên cùng Dòng cấp điện đi vào giữa hai chất nền điện môi Phương pháp cấp nguồn này không có bức xạ giả và mang lại băng thông cao nhất

9

e) Dùng nguồn cấp ống dẫn sóng đồng phẳng(Coplanar Waveguide Feed) Ống dẫn sóng đồng phẳng thông thường bao gồm một rãnh dẫn điện duy nhất được

in trên đế điện môi, cùng với một cặp dây dẫn hồi lưu, một ở hai bên của rãnh Cả

ba dây dẫn đều ở cùng một phía của chất nền, và do đó gọi là đồng phẳng Các dây dẫn hồi lưu được ngăn cách với khe trung tâm bằng một khoảng cách nhỏ, có chiều rộng không thay đổi dọc theo chiều dài của khe

7 Ưu nhược đi m và ng d ng:ể ứ ụ

a) Ưu điểm:

- Ăng-ten đơn cực mạch in rất nhỏ gọn,đơn giản để chế tạo và lắp đặt

- Ăng-ten đơn cực mạch in tương đối đơn giản và chi phí rẻ

- Ăng-ten này có trở kháng phản ứng khá cao trên hầu hết dải tần số của nó

- Khi chiều dài ăng-ten lớn và suy hao trên mặt đất ít đi, hiệu quả của ăng-ten

sẽ tốt hơn Ăng-ten đơn cực thẳng đứng có thể đạt hiệu suất lên tới 80%

- Anten đơn cực loại thẳng đứng được sử dụng cho bất kỳ tần số nào ngắn hơn 2/3 bước sóng

- Đây là những ăng-ten đa hướng đơn giản, sử dụng ít không gian

- Nếu làm việc với tần số trên 800 MHz, ăng-ten đơn cực có thể được chế tạo thành mạch in

10

- Các ăng-ten này xử lý thông tin liên lạc trong bất kỳ đường dẫn nào ngoại trừ theo chiều dọc trên đầu ăng-ten

- Ăng-ten đơn cực mạch in được sử dụng rộng rãi vì nhiều lợi ích như chi phí thấp, cấu hình thấp, chế tạo đơn giản, ít trọng lượng hơn và kết hợp với các thiết bị hoạt động khác

b) Nhược điểm:

- Bức xạ kém vì anten bức xạ đều theo mọi hướng

- Sự phản xạ tín hiệu có thể do các vật kim loại & mặt đất gây ra, vì vậy có thể nhận được cả tín hiệu phân cực theo chiều dọc và chiều ngang

- Các ràng buộc về thiết kế và kích thước cần thiết cho mặt phẳng nối đất trong ăng-ten này thường bị hạn chế

- Mô hình bức xạ của ăng-ten này chủ yếu phụ thuộc vào hướng của mặt đất c) Ứng dụng:

- Anten đơn cực được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như khoa học

vũ trụ, công nghệ radar, y sinh, nghiên cứu, v.v

- Ăng-ten đơn cực thường được sử dụng làm ăng-ten cộng hưởng trong đó thanh của ăng-ten này hoạt động như một bộ cộng hưởng mở, đặc biệt đối với sóng

vô tuyến & dao động qua các sóng đứng của dòng điện và điện áp dọc theo chiều dài của nó

- Loại ăng-ten này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây

Hệ thống thông tin liên lạc không dây:

- Những ăng-ten này thường được sử dụng trong các thiết bị không dây như điện thoại thông minh, bộ địnhtuyến Wi-Fi và modem không dây để truyền và nhận tín hiệu

- Các hệ thống RFID (Nhận dạng qua tần số vô tuyến):

Ăng-ten đơn cực inđược sử dụng trong các thẻ và đầu đọc RFID để truyền và nhận

dữ liệu

- Thiết bị GPS (Hệ thống Định vị Toàn cầu):

Những ăng-ten này được sửdụng trong bộ thu GPS để nhận tín hiệu vệ tinh

- Hệ thống ô tô và giao thông vận tải:

11

Ăng-ten đơn cực in được sử dụngtrong ô tô và các phương tiện khác cho mục đích liên lạc và điều hướng

- Thiết bị y tế: Những ăng-ten này được sử dụng trong các thiết bị y tế nhưmáy theo dõi nhịp tim và thiết bị đeo được để liên lạc không dây Thiết bị IoT (Internet vạn vật): Ăng-ten đơn cực in được sử dụng trongcác thiết bị IoT để liên lạc không dây và truyền dữ liệu

Nhìn chung, ăng-ten đơn cực mạch in được sử dụng trong nhiều ứng dụng trongđó kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp và dễ tích hợp là những cân nhắc quantrọng

II Nguyên lý hoạt động

1 Nguyền lý b c x c a anten đ n c c m ch inứ ạ ủ ơ ự ạ

- Nguyên lý bức xạ của anten đơn cực mạch in dựa trên sự phát sinh của trường điện từ khi dòng điện xoay chiều chạy qua cực của anten trên mạch in PCB Khi dòng điện chạy qua cực, nó tạo ra một trường điện từ xung quanh cực, và trường này sẽ phát tán các sóng điện từ đi xa khỏi anten Sự phát tán sóng điện từ này là kết quả của sự phối hợp giữa cực anten và môi trường xung quanh nó

- Nếu anten được thiết kế đúng, thì sóng điện từ phát ra sẽ tập trung vào một hướng nhất định, và điều này sẽ tạo ra một tín hiệu truyền dẫn hoặc nhận rõ ràng Thêm vào đó, nguyên lý bức xạ của anten đơn cực mạch in cũng dựa trên hiện tượng phân cực của các phân tử trong môi trường xung quanh anten

- Trường điện từ được tạo ra khi dòng điện chạy qua cực anten tương tác với các phân tử trong môi trường xung quanh anten, và các phân tử này sẽ bị phân cực

Sự phân cực này dẫn đến sự khác biệt trong phân bố các điện tích trong môi trường xung quanh anten, và điều này sẽ dẫn đến phát tán sóng điện từ

2 Nguyền lý ho t đ ngạ ộ

- Một ăng-ten đơn cực bao gồm một dây dẫn duy nhất, thường là một thanh kim loại hoặc dây, được gắn theo chiều dọc trên mặt phẳng mặt đất dẫn điện Mặt phẳng mặt đất có thể là một bề mặt vật lý thực tế, chẳng hạn như Trái đất, hoặc một bề mặt mô phỏng, như một tấm kim loại hoặc một mạng lưới dây xuyên tâm Chiều dài của ăng-ten thường là một phần tư bước sóng (λ / 4) của tần số hoạt động mong muốn, giúp đạt được hiệu suất bức xạ tối ưu

- Khi một dòng điện xoay chiều (AC) được đặt vào , một trường điện từ được tạo ra xung quanh dây dẫn và ăng-ten phát ra sóng điện từ Mặt phẳng mặt đất, hoạt động như một gương phản xạ, tạo ra hình ảnh của đơn cực, làm cho nó hoạt động như thể nó là một ăng-ten lưỡng cực nửa bước sóng Điều này dẫn đến một

12