bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài anten xoắn lò xo

Sử dụng một máy dò tinh thể gắn với một lưỡngcực quạt nhỏ như một nhận được ăng-ten, Kraus có thể xác minh rằng chuỗixoắn lò xo của anh ta tạo ra bức xạ lửa dọc theo trục của chuỗi xoắn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-

 -BÀI TẬP LỚN: ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Đề tài: Anten xoắn lò xo

Giảng viên hướng dẫn TS Đoàn Thị Ngọc Hiền

TS Tạ Sơn Xuất

Nhóm sinh viên thực hiện Dương Đình Nhật 20200452

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN XOẮN LÒ XO 2

1.1 Lịch sử 2

1.2 Nguyên lí bức xạ và đặc tính 4

1.2.1 Cấu tạo của anten 4

1.2.2 Nguyên lý bức xạ và đặc tính 4

CHƯƠNG II: MÔ PHỎNG ANTEN XOẮN LÒ XO BẰNG ANSYS 9

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA ANTEN XOẮN LÒ XO 20

3.1 Ưu điểm 20

3.2 Nhược điểm 20

3.3 Ứng dụng 20

CHƯƠNG IV: PHÂN CHIA CÔNG VIỆC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

4.1 Phân chia công việc 21

4.2 Tài liệu tham khảo 21

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí củacon người ngày càng cao và thật sự cần thiết Bằng cách sử dụng các hệ thốngphát, thu vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của conngười 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 hoặcthu tín hiệu Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp rất nhiều các

hệ thống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, cácBTS dùng cho các mạng điện thoại di động hay những vật dụng cầm tay như bộđàm, điện thoại di động, radio đều sử dụng anten

Việc nghiên cứu lý thuyết và kỹ thuật anten giúp ta nắm được các cơ sở lýthuyết anten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số

cơ bản của các loại anten thường dùng

Để có thể hiểu và hình dung một cách trực quan nhất nhóm em được phâncông tìm hiểu và trình bày đề tài “ANTEN XOẮN LÒ XO” Qua quá trình họctập, tìm hiểu và mô phỏng anten trên phần mềm ANSYS, cùng với những kiếnthức trên giảng đường chúng em đã tìm hiểu được nhiều kiến thức hơn về mônhọc này

Học kỳ 20221, chúng em học môn “Anten và truyền sóng” do cô ĐoànThị Ngọc Hiền và thầy Tạ Sơn Xuất hướng dẫn Thầy cô giải đáp thắc mắc và hỗtrợ rất nhiều để nhóm em hoàn thành đề tài này Trong quá trình làm việc khôngtránh khỏi những sai sót do thông tin tìm kiếm và kỹ năng còn hạn chế, mongthầy cô góp ý để nhóm em hoàn thiện hơn Nhóm em cảm ơn thầy và cô rấtnhiều!

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN XOẮN LÒ XO

đã tham dự Sau bài giảng đó, Kraus đã nói chuyện với Raines và hỏi anh ấy liệuanh ấy có nghĩ rằng đường xoắn lò xo có thể được tạo ra để hoạt động như mộtanten Raines trả lời rằng anh ấy đã thử và vòng xoắn sẽ không làm việc như mộtanten

Kraus phỏng đoán rằng vòng xoắn có thể không hoạt động vì nó có đườngkính quá nhỏ Kraus sử dụng bộ tạo dao động 2,5 GHz làm nguồn, quấn mộtvòng xoắn 7 vòng có đường kính 4 cm, tạo ra chu vi 12,5 cm, xấp xỉ một bướcsóng tại nguồn tần số 2,5 GHz Sử dụng một máy dò tinh thể gắn với một lưỡngcực quạt nhỏ như một nhận được ăng-ten, Kraus có thể xác minh rằng chuỗixoắn lò xo của anh ta tạo ra bức xạ lửa dọc theo trục của chuỗi xoắn và bức xạ bịphân cực tròn Điều này đã bắt đầu một chương trình nghiên cứu toàn diện củaKraus về các thuộc tính của chế độ cháy cuối hoặc hướng trục, xoắn lò xo.Công trình đầu tiên được xuất bản về ăng ten xoắn lò xo là vào năm 1947[Kraus, 1947] Kể từ đó hàng trăm bài báo đã được xuất bản về ăng-ten xoắn lò

xo trình bày chi tiết lý thuyết về hoạt động, sửa đổi để cải thiện hiệu suất của nó

và các biến thể trên chuỗi xoắn cơ bản thiết kế Một nguồn khám phá nhiều biếnthể xoắn lò xo và hiệu suất của chúng đặc biệt là cuốn sách xuất sắc của Nakano[1987] cũng bao gồm một danh sách các tài liệu tham khảo đến các nguồn khác

1.2 Nguyên lí bức xạ và đặc tính

1.2.1 Cấu tạo của anten

Hình ảnh cho thấy hình dạng cơ bản của ăng ten xoắn lò xo theo định nghĩa

của Kraus [1988].

D: đường kính lò xo xoắn L: chiều dài 1 vòng xoắn

C: chu vi lò xo xoắn n: số vòng xoắn

S: khoảng cách giữa 2 vòng xoắn A: chiều dài trục lò xo

1.2.2 Nguyên lý bức xạ và đặc tính

Nguyên lý bức xạ của ăng ten xoắn lò xo dựa trên khái niệm về sóng dichuyển Anten bao gồm một dây xoắn lò xo được quấn quanh một thanh hoặchình trụ Dây được kết nối với điểm nạp ở một đầu và đầu còn lại để hở hoặc nốiđất Khi một sóng điện từ được áp dụng cho điểm nạp, nó sẽ tạo ra một dòngđiện chạy dọc theo dây xoắn lò xo Dòng điện này tạo ra một từ trường baoquanh dây dẫn Khi dòng điện chạy dọc theo đường xoắn lò xo, nó sẽ tạo ra mộtsóng điện từ truyền ra bên ngoài theo mọi hướng

Hình dạng xoắn của dây làm cho sóng điện từ được bức xạ chủ yếu theohướng vuông góc với trục của đường xoắn Mô hình bức xạ có tính định hướngcao, với phần lớn năng lượng được tập trung theo hướng dọc theo trục của chuỗixoắn Mô hình bức xạ cũng là một hàm của số vòng và đường kính của đường

xoắn lò xo, có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa hệ số tăng ích và hướng củaanten.

Normal mode

Chế độ hoạt động này còn được gọi là chế độ hoạt động vuông góc vì trongchế độ này, bức xạ cực đại được phát ra theo hướng của mặt phẳng vuông gócvới trục của ăng ten Để hoạt động ở chế độ thường, các kích thước của anten

1 dipole, trường bức xạ khu xa của một xoắn lò xo nhỏ có thể được biểu diễn

bằng cách chồng chất các trường của các phần tử bức xạ với nhau Mặt phẳngvòng tròn song song với nhau và vuông góc với trục của dipole thẳng đứng Trụccủa các vòng dây và dipole trùng với trục của xoắn lò xo Vì ở chế độ thường cáckích cỡ của xoắn lò xo khá nhỏ, dòng điện qua chiều dài của nó có thể coi nhưkhông đổi và đồ thị trường khu xa độc lập với số vòng dây và dipole ngắn Vì thếhoạt động của anten có thể được miêu tả chính xác bằng tổng của các trường bức

xạ của một vòng nhỏ đường kính D và một dipole ngắn dài S, với trục vuông gócvới mp vòng tròn và mỗi vòng có dòng điện không đổi như nhau

Do sự phụ thuộc quan trọng của các đặc tính bức xạ của nó vào kích thướchình học, phải rất nhỏ so với bước sóng, điều này khiến chế độ hoạt động rất hẹp

về băng thông và hiệu suất bức xạ của nó rất khiêm tốn Trên thực tế, chế độ hoạtđộng này bị hạn chế và hiếm khi được sử dụng

Hình trên cho thấy mô hình bức xạ cho chế độ bức xạ bình thường

trong ăng-ten xoắn lò xo.

Axial mode

Một chế độ hoạt động có ứng dụng thực tế hơn, có thể được tạo ra rất dễdàng đó là chế độ trục Nó có dải thông rộng và cường độ bức xạ cực đại nằmdọc theo trục của đường xoắn Để làm việc ở chế độ trục và ăng ten phân cựctròn chu vi một vòng xoắn cần có chiều dài lớn hơn 3/4 bước sóng và nhỏ hơn4/3 bước sóng ( Thông thường, anten được sử dụng cùng với mặt phẳng mặt đất,

có đường kính là ít nhất , và nó được cấp nguồn bởi cáp đồng trục Tuy nhiên,

có các cách tiếp điện khác (Ví dụ: ống dẫn sóng và thanh điện môi), đặc biệt ở

dải tần sóng cực ngắn Kích cỡ của xoắn lò xo cho chế độ này không quá quantrọng, vì vậy băng thông sẽ lớn hơn

Mô hình bức xạ của anten xoắn lò xo đầu lửa là hình tròn hoặc gần tròn.Yếu tố khác biệt quan trọng giữa chế độ bình thường và chế độ dọc trục là ở chế

độ bình thường, bức xạ cực đại dọc theo hướng vuông góc của trục Khi ở chế độdọc trục, bức xạ cực đại nằm dọc theo chính trục đó Vì vậy, về cơ bản, chế độnày của anten xoắn lò xo là kết quả của các kích thước như vậy trong đó chu vi

và khoảng cách giữa các vòng tương đương với một bước sóng

Không giống như chế độ bình thường, chế độ này của anten xoắn lò xo tạo

ra chùm tia rộng và có tính định hướng cao theo hướng dọc trục Do đó, chế độnày của anten xoắn lò xo được sử dụng cho các ứng dụng thực tế

Đối với mục đích thực tế, chuỗi xoắn được tạo ra với chu vi gần bằng mộtbước sóng và khoảng cách gần λ/4

Độ dài hoàn chỉnh của chuỗi xoắn quyết định mức tăng và băng thông củanó

Hình vẽ cho thấy mô hình bức xạ cho chế độ bức xạ dọc trục trong ăng

ten xoắn lò xo.

Đồ thị bức xạ ở chế độ trục

CHƯƠNG II: MÔ PHỎNG ANTEN XOẮN LÒ XO BẰNG

ANSYS

2.1 Cơ sở thiết kế anten

*Tìm hiểu về cơ sở thiết kế:

-Khi thiết kế anten helical, các thông số cần biết bao gồm:

1 Tần số làm việc (hoặc dải tần): Đây là tần số mà anten được thiết kế để làm việc Trong trường hợp anten helical, ta cần biết dải tần làm việc của anten

2 Hệ số tăng (gain): Hệ số tăng của anten là một thông số quan trọng đo lường khả năng tập trung tín hiệu phát ra của anten trong một hướng cụ thể Trong trường hợp anten helical, ta cần biết hệ số tăng của anten để đảm bảo rằng nó đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng

3 Độ phân cực: Độ phân cực của anten chỉ ra phương hướng mà anten phát

ra tín hiệu Độ phân cực của anten helical thường là phân cực tuyến tính,

có nghĩa là tín hiệu được phát ra theo một hướng cụ thể

4 Điện trở trở kháng (impedance): Điện trở trở kháng của anten là một thông

số quan trọng để đảm bảo tính hiệu quả của anten trong việc truyền tải và thu sóng tín hiệu

5 Kích thước vật lý của anten: Kích thước vật lý của anten, bao gồm đường kính và chiều dài của vòng xoắn, ảnh hưởng đến dải tần hoạt động của anten, hệ số tăng, và điện trở trở kháng

6 Vật liệu và hình dạng của anten: Vật liệu và hình dạng của anten có thể ảnh hưởng đến các thông số trên như hệ số tăng và điện trở trở kháng Vật liệu thường được sử dụng trong thiết kế anten helical là đồng hoặc nhôm

7 Số vòng xoắn (turns) của anten: Số vòng xoắn của anten helical ảnh hưởngđến hệ số tăng và độ phân cực của anten Thông thường, số vòng xoắn càng lớn thì hệ số tăng càng cao, nhưng độ phân cực sẽ trở nên hẹp hơn

8 Khoảng cách giữa các vòng xoắn: Khoảng cách giữa các vòng xoắn cũng ảnh hưởng đến hệ số tăng và độ phân cực của anten Khoảng cách giữa cácvòng xoắn càng lớn thì hệ số tăng càng thấp nhưng độ phân cực càng rộng

9 Góc nghiêng của anten: Góc nghiêng của anten helical là góc giữa trục củaanten và mặt đất Góc nghiêng của anten có thể được tinh chỉnh để đạt được hướng phát tín hiệu mong muốn.

10.Độ chính xác của việc lắp ráp: Việc lắp ráp anten helical cần được thực hiện đúng cách và chính xác để đảm bảo tính hiệu quả của anten Các tham số như khoảng cách giữa các vòng xoắn, kích thước của các vòng xoắn, và góc nghiêng của anten cần được điều chỉnh chính xác

*Thiết kế và chuẩn bị các thông số cần thiết

-Để anten đạt được chế độ end-fire mode và như vậy sẽ ứng dụng vào thựctiễn nhiều hơn thì khi thiết kế anten cần đạt một số thông số nhất định như: + < �*λ < với �*λ xấp xỉ 1 là tối ưu

+ Khoảng cách (S) giữa hai vòng (turn) là S xấp xỉ *

+ 12° < pitch angel < 14°

Và để anten làm việc tại tần số từ 2-3 Ghz và G >= 8 dbi em có tham khảo thêm bài báo Helical antenna performance in communications của Maja

Trong đó em tham khảo:

D = 10log 15�( ) ( ) (2∗ ��)

G = 15N( ) * ( ) (db) với N là số turns 2 2

C = Pi*D

Các thông số còn lại bên trên đã trình bày:

AR = nói lên sự khác biệt phân cực của anten so với phân cực thuần tròn

Từ các công thức, đề bài và tham khảo bọn em đưa ra thông số để thiết kế như sau:

Design parameters:

L 253.955 mm

2.2, Các bước mô phỏng anten

1, Tạo đáy cho anten

Draw tab => cylinder

Đặt thông số như hình

2, Tạo vòng tròn điểm đầu cho anten Draw tab => cirle

Đặt thông số như hình

3, Tạo anten

Draw tab => helix

Đặt thông số như hình

4, Tạo ống dẫn

Draw tab => cylinder

Đặt thông số như hình

5, Tạo vật liệu mới

Đặt thông số như hình

6,Tạo lớp điện môi cho ống dẫnDraw tab => cylinder

Đặt thông số như hình

7, Tạo dây dẫn bên trong ống dẫn Draw tab => cylinder

Đặt thông số như hình

8, Tạo vòng tròn cho wave portDraw tab => circle

Đặt thông số như hình

9, Tạo wave port

Thao tác như hình

B10, Tạo hộp bao

Đặt thông số như hình

B11, Cài đặt các thông số

II, Kết quả

Đồ thị Gain

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA ANTEN XOẮN LÒ XO

3.3 Ứng dụng

nhận tín hiệu VHF

các trạm trái đất

CHƯƠNG IV: PHÂN CHIA CÔNG VIỆC VÀ TÀI LIỆU

THAM KHẢO

4.1 Phân chia công việc

Công việc Người thực hiện

Mô phỏng và tính toán thông số

Lê Huy Long Nhật, Nguyễn Xuân Phương,

Lê Thành Luân

4.2 Tài liệu tham khảo

(PDF) Helical Antenna Performance in Wideband Communications

(researchgate.net)

Antenna Theory - Helical (tutorialspoint.com)