báo cáo btl anten và truyền sóng

Trong phầntóm tắt, ông mô tả nó như là "một thành viên mới của lớp cấutrúc ăng ten được chia tỷ lệ liên tục theo chu kỳ, như vậy, vềmặt lý thuyết, nó có băng thông tức thời không giới hạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG o0o

BÁO CÁO BTL ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Nhóm thực hiện Nhóm :

Thành viên:

Phụ Lục

THIẾT KẾ: (ANTEN VIVALDI)

1 Giới thiệu

Ăng ten khe thuôn (TSA) hay còn gọi là ăng ten Vivaldi là một ăng ten khe băng thông cực rộng (trên vài quãng tám) và còn được gọi là ăng ten khe thuôn nhọn (TSA) rất dễ chế tạo trên bảng mạch và có thể cung cấp băng thông cực rộng Peter Gibson đã phát minh ra ăng ten Vivaldi vào năm 1978, ở Anh Ăng-ten Vivaldi lần đầu tiên được thảo luận trong một bài báo của Hội nghị Vi sóng Châu Âu (EuMic) năm 1979 bởi PJ Gibson trong một bài báo có tựa đề The Vivaldi Aerial Trong phần tóm tắt, ông mô tả nó như là "một thành viên mới của lớp cấu trúc ăng ten được chia tỷ lệ liên tục theo chu kỳ, như vậy, về mặt lý thuyết, nó có băng thông tức thời không giới hạn.” Là một ăng ten UWB tốt hơn vì hiệu suất bức xạ tuyệt vời của chúng bao gồm băng thông rộng, cấu trúc nhỏ gọn, độ lợi cao hơn và hiệu suất bức xạ 4 – 6

Do hiệu suất tốt hơn nên ăng ten Vivaldi đã thu hút nhiều nghiên cứu Nhiều phương pháp đã được đề xuất để cải thiện các đặc tính bức xạ của ăng ten Vivaldi như thêm khe, sử dụng siêu vật liệu, thêm bộ cộng hưởng điện môi, v.v Ăng ten Vivaldi được sửa đổi bằng cách thêm các khe ở các đầu của nó là một phương pháp tốt mang lại cấu trúc nhỏ gọn và giảm thiểu với các đặc tính bức xạ được cải thiện Và được cải thiện đáng kể về băng thông và phân cực chéo và áp dụng cấu trúc đối cực cân bằng bởi Langley et al vào năm 1993

2 Đặc tính, cấu tạo.

Ăng ten Vivaldi có thể được làm từ các tấm đồng hoặc vật liệu bảng mạch in hai lớp đơn giản Các đặc tính của nó, chẳng hạn như độ dày của vật liệu sóng mang và hằng số điện môi của nó ảnh hưởng đến các đặc tính của anten Một vài ăng ten có thể thực hiện cùng trên một bảng mạch cạnh nhau như một ăng ten nhóm Bản thân ăng ten chỉ bao gồm khe thuôn nhọn, có thể coi như một sừng hàm mũ hai chiều Việc ăng ten nằm ở khe bên hẹp Phía đối diện với hướng chùm tia ngắn mạch bởi một λ ∕ 4 sơ khai Để tăng băng thông của ăngten, phần cuống này có thể thiết kế thành hình chữ nhật với các thông số phù hợp Đường cung cấp với khu vực hình tròn ở đầu của nó được thực hiện ở cấp bảng mạch

in Nó có chức năng kết hợp băng thông rộng của hệ thống cung cấp trong công nghệ dải

Cấu trúc cơ bản bao gồm một rãnh đồng nhất λs ∕ 4 được nối với một rãnh thuôn nhọn theo cấp số nhân: y = +-Aepx (A

=0.5Wmin và p là tốc độ côn) Khi tốc độ côn tăng, độ rộng

chùm tia trong mặt phẳng E tăng lên, độ rộng chùm tia trong mặt phẳng H giảm và độ rộng băng tần tăng

Sự phân cực của một bộ tản nhiệt duy nhất là tuyến tính Các đường sức điện trường song song với vật liệu bảng mạch in Các bảng in với các nhóm ăng ten cũng có thể được lồng nhau theo chiều kim đồng hồ cho mặt phẳng phân cực thứ hai Hướng chùm tia của anten là hướng mà khe hình nón mở rộng Do băng thông lớn, hình ảnh ăng ten này thích hợp cho các ứng dụng băng siêu rộng

3 Nguyên lý bức xạ.

Kết quả nghiên cứu về hình học và hiệu suất của anten Vivaldi chỉ ra rằng dạng bức xạ phụ thuộc vào các thông số hình học của anten Trong phần này, chúng tôi sử dụng phép tính từ trường E của một ăng ten horn để tìm ra một mô hình gần đúng của mô hình điện trường xa của ăng ten Vivaldi có tính đến các thông số hình học Hình 1 (a) mô tả hệ tọa độ cầu với các biến θ, φ và r được sử dụng để tham chiếu đến một điểm quan sát trong hệ tọa độ Descartes trong Hình 1 (b) Các hệ thống này được sử dụng ở đây để giải thích mô hình phần tử Vivaldi Ăng ten Horn và Ăng ten Vivaldi có đặc điểm giống nhau về dạng bức xạ định hướng như trong Hình 1 (g) và (h), trong đó điện trường truyền giữa các khe hình côn

về phía miệng của khe hình côn Trường E từ bộ tản nhiệt có thể được suy ra bởi các vectơ thế điện và từ trường từ dòng điện và nguồn từ [1] Sóng có thể truyền theo các phương x, y

và z với số sóng k là:

kx = k cos θ sin φ, ky = k sin θ sin φ, ky = k cos θ

Hình 1 (b) mô tả trường xa của một ăng ten, có thể quan sát được trường với độ lớn và pha:

R r - r cos ψ biến thiên pha, R r biến thiên biên độ

trong đó R là khoảng cách của mật độ điện tích tại một điểm bất kỳ đến điểm quan sát Quan sát được coi là ở trường xa nếu R = 2D2 / λ, với D là kích thước lớn nhất của anten và λ là bước sóng

Hình 1 (a) Tọa độ cầu tham chiếu, (b) tọa độ hình chữ nhật tham chiếu, (c) tọa độ ăng ten horn, (d) tọa độ ăng ten Vivaldi, (e) Trường E 2D của ăng ten horn, (f) Trường E 2D của Ăng ten Vivaldi, (g) Mẫu bức xạ 3D của ăng ten horn và (h) Mẫu bức xạ 3D của ăng ten Vivaldi

Trong trường xa, khoảng cách xuyên tâm R song song với điểm quan sát r Nó tạo ra sự thay đổi pha với ψ là góc giữa r

và r’, xem Hình 1 (c) Số nguyên (x, y, z hoặc r, θ, φ) cho biết điểm quan sát và số nguyên tố (x’, y’, z’ hoặc r’, θ’, φ’) xác định nguồn điện và từ trường trong không gian Trong trường

xa, thành phần xuyên tâm là không đáng kể, nhưng thành phần θ và φ rất chiếm ưu thế Để tìm điện trường, chúng tôi

mở rộng tính năng ăng-ten sừng cho Vivaldi có một rãnh

thuôn nhọn với độ dốc tuyến tính Chúng ta giả sử anten Vivaldi trong Hình 1 (d) khi được thiết kế với rãnh thuôn nhọn tuyến tính có cùng sự khác biệt về đường truyền như anten sừng trong Hình 1 (c) Sự khác biệt về đường đi là do sự khác biệt về sóng truyền qua [1]:

, ρ1 = ρe cos ψe

Điện từ trường trong anten được bức xạ bởi nguồn điện vàJs

nguồn từ Ms truyền theo mọi phương kết hợp với nhau tạo thành điện trường và từ trường Để tìm điện trường, trước hết chúng ta phải tìm vectơ thế từ A và vectơ thế điện do mậtF

độ điện và mật độ từ được cho bởi tích phân bề mặt:J M

trong đó μ là độ từ thẩm, và ε là điện trở phép hoặc hằng số điện môi Chúng tôi thay đổi các biểu diễn trường từ hệ tọa độ hình chữ nhật sang hình cầu:

Đối với anten Vivaldi, điện trường và từ trường thoả mãn các điều kiện sau: E’x = E’z = H’y = 0 Trong anten Vivaldi, Điện trường chiếm mặt phẳng yz với biên độ cực đại theo trục y và lan truyền dọc theo trục z như hình 1 (d)

E1 là một hằng số và những giá trị có một số nguyên tố đại diện cho các trường trong khẩu độ Tham số a là hằng số biểu

thị kích thước khẩu độ của ăng ten sừng như được thể hiện trong Hình 1 (c) và (e), trong khi ở ăng ten Vivaldi, giá trị của

a thay đổi theo tần số hoạt động của nó như trong Hình 1 (d)

và 1 (f) Trường E của anten sừng nằm trong mặt phẳng xy, trong khi trường của anten Vivaldi nằm trong mặt phẳng yz như trong Hình 1 (c) và (d)

4 Ứng dụng.

Dựa vào cấu tạo khác nhau thì anten vivaldi có một số chức năng tiêu biểu sau:

Một mảng ăng ten Vivaldi tăng cường độ lợi nhỏ gọn với khớp nối tương hỗ được triệt tiêu cho ứng dụng sóng 5G mm

Ăng ten Vivaldi Antipodal băng tần Ultrawide cho Ứng dụng GPR trong không khí

Một ăng ten UWB Vivaldi nhỏ gọn được in với các khe hình trụ hemi và các thiết bị điều khiển cho các ứng dụng hình ảnh vi sóng

5 Mô phỏng.

5.1 Các tham số cơ bản của anten vivaldil.

Biến số Tham chiếu Định nghĩa Giá trị

Nudge Lệch trái feedline 10mm

TL λ/2 Chiều dài rẽ nhánh 60mm

MW Tính bằng ADS Chiều rộng feedline 2mm

ML (QWM + nudge + s) Chiều dài ngang feedline 41mm

sL < λ/2 Chiều dài rãnh 20mm Ext ~1 mm Chiều dài mở rộng 1mm QWS (sL+ext+MW/2) Chiều dài dọc feedline 22mm QWM λ/4 Phần tư bước sóng 30mm

s ~1 Nửa độ rộng rãnh 1mm cThickness 0.049mm Độ dày lớp đồng 0.049mm

Anten Vivaldi cùng các tham số chính

5.2 Thực hiện mô phỏng.

Mô phỏng được thực hiện trên phần mềm ANSYS ELECTRONIC DESKTOP 2020R1

Tạo bề mặt đồng cho antenna bằng công cụ Rectangle

& EquationSurface

ThickenSheet và gán vật liệu copper

Tạo Box2 bên dưới lớp đồng và gán vật liệu Rogers RT/duroid 6010

Tạo feedline ở mặt sau của Box2 và gán vật liệu copper

Tạo Excitation/ Lumped port tiếp giáp feedline

Tạo Radiation Boundary

Tạo solution setup và Frequency sweep

Analyze all và đưa ra kết quả

Điều chỉnh các tham số của antenna cho đến khi đạt tính chất mong muốn Antenna cuối cùng

6 Kết quả mô phỏng

6.1 Đồ thị hướng bức xạ 3D

Đồ thị hướng bức xạ 3D (Gain max = 6.8dB)

6.2 Đồ thị hệ số phản xạ

Đồ thị S11

7 Kết luận

Anten mô phỏng đã có đồ thị S11 gần giống với lý thuyết, song vẫn chưa đạt yêu cầu Vẫn còn có nhiều tần số chưa đạt kết quả mong muốn (chỉ có khoảng tần

số 3.5 Ghz đạt mức kết hợp trở kháng cao) nguyên nhân có thể do các thông số tự chọn chưa chính xác, thiết kế anten chưa tối ưu

Anten có hệ số tăng ích đạt max 6.8dB đạt yêu cầu > 4dB