báo cáo bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài anten loga chu kỳ

cũng đềusử dụng anten.Việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật anten sẽ giúp ta nắm được các cơ sở lý thuyếtanten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số cơ bả

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Đề tài: Anten Loga Chu kỳ

Giảng viên hướng dẫn: TS.ĐOÀN THỊ NGỌC HIỀN

Hà Nội, 11/2023

LỜI MỞ ĐẦU -3

I.CƠ SỞ LÝ THUYẾT ANTEN -4

1.1.Vai trò nhiệm vụ anten trong thông tin vô tuyến -4

1.2.Hệ phương trình Maxwell, khảo sát trường bức xạ anten -4

1.3.Các đặc trưng cơ bản của anten -5

1.4.Chấn tử đối xứng -9

1.4.1 Khái niệm -9

1.4.2 Khảo sát trường bức xạ chấn tử đối xứng -9

1.4.3 Tham số của chấn tử đối xứng -11

II.LÝ THUYẾT VỀ ANTEN LOGA CHU KỲ -12

2.1 Lịch sử -12

2.2 Đặc tính -12

2.3 Nguyên lý làm việc : -14

2.4 Đặc điểm trường bức xạ : -14

2.5 Tiếp điện cho anten : -15

III TÍNH TOÁN ANTEN LOGA – CHU KỲ -16

3.1.Yêu cầu đề bài: Dải tần hoạt động từ 3- 4 GHz -20

Hệ số tăng ích > 6dBi. -20

3.2 INPUT -22

3.3 RESULTING DESIGN -23

IV.MÔ PHỎNG ANTEN LOGA CHU KỲ BẰNG HFSS -25

4.1 Tạo sẵn những thông số của ăng ten trong Design Properties -25

2

ANTEN LOGA CHU KỲ

4.2 Tạo Boom -25

4.3 Đục Lỗ trên Boom và Unite -26

4.4 Sử dụng Thru Mirror vẽ thanh thứ 2 -26

4.5 Tạo Lump port -26

4.6 Tạo Open Region -27

4.7 Setup Mô phỏng -27

4.8 Kết quả mô phỏng: -29

4.8.1 Để mở rộng dải tần số, ta có những cách như sau: -29

4.8.2 Để tăng độ lợi cho anten loga chu kỳ, ta có những cách sau: -30

V.ỨNG DỤNG CỦA ANTEN LOGA CHU KỲ -32

TÀI LIỆU THAM KHẢO -34

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con ngườingày càng cao và thật sự cần thiết Bằng cách sử dụng các hệ thống phát, thu vô tuyến đãphần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của con người ở các khoảng cách xamột 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 rất nhiều các hệ thống anten như: hệthống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTS dùng cho các mạng điện thoạidi động Hay những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại di động, radio cũng đềusử dụng anten.

Việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật anten sẽ giúp ta nắm được các cơ sở lý thuyếtanten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số cơ bản của cácloại anten thường dùng.

Để có thể hiểu và hình dung một cách trực quan nhất nhóm em đã được phân công tìmhiểu và trình bày đề tài “ANTEN LOGA CHU KỲ” nhờ đó qua quá trình học tập, tìmhiểu và mô phỏng anten trên phần mềm HFSS, cùng với những kiến thức trên giảngđường chúng em có thể hiểu thêm hơn về Anten.

Học kỳ 20231, chúng em được học môn Anten và Truyền sóng do cô Đoàn ThịNgọc Hiền giảng dạy và hướng dẫn, đã được cô giải đáp thắc mắc và hỗ trợ rất nhiều đểhoàn thành đề tài này nhưng vẫn không tránh khỏi những sai sót do kiến thức, kỹ năngcòn hạn chế, rất mong cô góp ý để sau này nhóm chúng em hoàn thiện hơn đề tài củachúng em Chúng em xin trân trọng cảm ơn cô!

4

ANTEN LOGA CHU KỲ

I.CƠ SỞ LÝ THUYẾT ANTEN

1.1 Vai trò nhiệm vụ anten trong thông tin vô tuyến

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo 2 cách:- Dùng đường truyền định hướng như đường dây song hành, đường truyền sóng đồngtrục, ống dẫn sóng,

- Dùng đường truyền vô tuyến, sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do.Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài đượcgọi là anten.

Anten có vai trò không thể thiếu trong hệ thống thông tin vô tuyến.

1.2 Hệ phương trình Maxwell, khảo sát trường bức xạ anten

- Hệ phương trình Maxwell:

- Khảo sát trường bức xạ anten:

+ Phương pháp : Giải hệ phương trình Maxwell đầy đủ để tìm nghiệm tổng quát+ Cách làm : Tách hệ phương trình Maxwell đầy đủ thành 2 hệ con : chỉ có nguồn điện vàchỉ có nguồn từ, giải 1 hệ rồi dùng nguyên lý đổi lẫn, tổng nghiệm của hai hệ đượcnghiệm của hệ phương trình Maxwell đầy đủ

-Hàm phương hướng bức xạ (PHBX) biểu thị sự phụ thuộc của trường bức xạ vàohướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi

-Hàm phương hướng biên độ (PHBĐ) biểu thị sự phụ thuộc của biên độ trường bứcxạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi

(1-4)

6

ANTEN LOGA CHU KỲ

Hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa

(1-5)

Đồ thị phương hướng bức xạ của anten: là đồ thị vẽ trong không gian biểu thị sự phụthuộc biên độ trường bức xạ vào hướng khảo sát ứng với khoảng cách R không đổi vàthường vẽ theo hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa

+ Độ rộng đồ thị phương hướng bức xạ theo mức 0 (ký hiệu là góc giữa 2 hướng mà theo2 hướng đó công suất bức xạ giảm về 0)

+ Độ rộng đồ thị phương hướng bức xạ theo hướng nửa công suất (ký hiệu là góc giữa 2hướng mà theo 2 hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa)

Hiệu suất bức xạ là tỷ số công suất bức xạ và công suất đặt vào anten

(1-6)

Hệ số định hướng của một anten theo hướng nào đó là tỷ số giữa mật độ công suất bứcxạ của anten theo hướng và mật độ công suất bức xạ của một anten chuẩn có cùng côngsuất và xét theo cùng khoảng cách

(1-7)Trong đó

+ D(θ, φ) là hệ số hướng tính của anten khảo sát ở hướng (θ, φ) với khoảng cách r.+ S(θ, φ) và S0 là mật độ công suất bức xạ của anten khảo sát ở hướng (θ, φ), khoảngcách r và mật độ công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.

Anten chuẩn là anten bức xạ đẳng hướng và hiệu suất bức xạ

Hệ số tăng ích của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ củaanten ở hướng đó trên mật độ cóng suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với khoảng

8

ANTEN LOGA CHU KỲ

cách không dổi, với điều kiện cống suất đưa vào của hai anten là như nhau và anten chuẩncó hiệu suất bằng 1

- Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng(1.11)

Trong đó A là diện tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten, ηa là hiệu suất làm việccủa anten

- Dải tần làm việc anten: là một dải tần từ đến mà trong đó anten làm việc với các thôngsố cơ bản không đổi hoặc thay đổi trong phạm vị cho phép: dải hẹp, dải tương đối rộng,dải rộng, dải rất rộng

1.4.Chấn tử đối xứng1.4.1 Khái niệm

Chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn kích thước giống nhau đặtthẳng hàng trong không gian, ở giữa được tiếp điện bởi dòng điện cao tần.

Hình 1.1

1.4.2 Khảo sát trường bức xạ chấn tử đối xứng

Để tìm trường bức xạ ta cần biết phân bố dòng điện trên chấn tử, điều này sẽ trở nênphức tạp Ta chỉ xét phương pháp gần đúng để xác định dòng điện phân bố trên chấn tử:

Coi chấn tử đối xứng tương đương đường dây song hành, hở mạch mà trên đường dâysong hành đó dòng điện phân bố theo quy luật sóng đứng, cho nên trường bức xạ củachấn tử đối xứng giống với trường bức xạ của dân dẫn thẳng có dòng điện sóng đứng

Thật vậy, đường dây song hành có thể biến dạng để nhận được chấn tử đối xứng bằngcách mở rộng đầu cuối của đường dây đến khi góc mở giữa hai nhánh bằng 180 o

Giả sử khi biến dạng đường dây song hành thành chấn tử đối xứng thì quy luật dòngđiện trên hai nhánh vẫn không đổi (vẫn có dạng sóng đứng)

10

ANTEN LOGA CHU KỲ

là biên độ dòng điện ở điểm bụng sóng đứngl là độ dài một nhánh chấn tử

1.4.3 Tham số của chấn tử đối xứng

Hàm tính hướng bức xạ của chấn tử đối xứng trong mặt phẳng E:

- Trở kháng sóng chấn tử

(1-16)- Trở kháng vào chấn tử:

12

ANTEN LOGA CHU KỲ

II.LÝ THUYẾT VỀ ANTEN LOGA CHU KỲ2.1 Lịch sử

Anten loga chu kỳ còn được gọi là mảng loga chu kỳ hoặc loga chu kỳ trên không, làmột ăng-ten định hướng, đa phần tử được thiết kế để hoạt động trên một dải tần số rộng.

Anten loga chu kỳ được phát minh bởi John Dunlavy vào năm 1952 khi làm việc choKhông quân Hoa Kỳ, nhưng không được ghi nhận do nó được phân loại vào "Tài liệumật" Đại học Illinois tại Urbana-Champaign đã cấp bằng sáng chế cho anten Isbell vàMayes-Carrel và cấp phép thiết kế như một gói dành riêng cho JFD Electronics ở NewYork Channel Master và Blonder Tongue Labs đã bỏ qua các bằng sáng chế và sản xuấtmột loạt các ăng-ten dựa trên thiết kế này Các vụ kiện liên quan đến bằng sáng chế ăng-ten mà Quỹ UI đã mất, đã phát triển thành Học thuyết Blonder-Tongue năm 1971 Tiền lệnày chi phối kiện tụng bằng sáng chế.

2.2 Đặc tính

-Cấu tạo

Anten log-periodic có đặc điểm bởi cấu trúc hình học lặp lại, cho phép nó đạt được mộtdải tần số rộng Dưới đây là các thành phần và đặc điểm chính của cấu trúc anten log-periodic:

Thanh góc (Boom): Anten loga chu kỳ thường bao gồm một thanh góc, là một cấu trúc hỗtrợ giữ và sắp xếp các phần tử của anten Thanh góc chạy dọc theo chiều dài của anten.Phần tử Dipole (chấn tử dipole): Các phần tử cơ bản của anten loga chu kỳ là các phần tửdipole Đây là các phần tử dẫn điện được kết nối với đường truyền tín hiệu Chiều dài củamỗi phần tử dipole thay đổi theo cách có hệ thống dọc theo thanh góc.

Khoảng cách: Khoảng cách giữa các phần tử dipole kế tiếp tăng theo cấp số nhân khi bạndi chuyển ra xa khỏi điểm cấp nguồn (điểm anten kết nối với đường truyền tín hiệu).Khoảng cách này theo thang logarithmic là đặc tính chính tạo nên tên gọi của anten.Đường truyền tín hiệu (Feed Line): Đường truyền tín hiệu là phần của anten kết nối vớitruyền nhận tín hiệu Thường được kết nối với anten tại một điểm nơi khoảng cách giữacác phần tử dipole là tương đối nhỏ.

Phần tử Phản xạ (Reflector Elements): Trong một số thiết kế anten loga chu kỳ, có thể cóthêm các phần tử phản xạ đặt phía sau các phần tử dipole Các phần tử này giúp cải thiệnđộ nhất quán và hiệu suất của anten.

Đầu thanh góc (Boom Ends): Anten log-periodic có thể có thêm các phần tử ở hai đầu củathanh góc để nâng cao hiệu suất và kiểm soát các mô hình phát sóng không mong muốn.Anten Loga chu kỳ có cấu tạo và kích thước tuân theo nguyên lý tương tự

+ Nguyên lý tương tự : nếu biến đổi đồng thời bước song công tác và tất cả các kíchthước của anten theo một tỉ lệ giống nhau thì các đặc tính của anten như đồ thị phươnghướng ,trở kháng vào … sẽ không bị biến đổi Hệ số tỉ lệ này gọi là hệ số tỉ lệ xích củaphép biến đổi tương tự

Anten được tạo bởi tập hợp các chấn tử có kích thước và khoảng cách khác nhau và đượctiếp điện từ một đường fide song hành chung như hình dưới Các chấn tử nhận dòng từfide qua cách tiếp điện chéo :

Kích thước các chấn tử và khoảng cách giữa các chấn tử biến đổi theo tỉ lệ sau :

Đặc tính kết cấu của anten loga chu kỳ được xác định bởi hai thông số và góc α Các giá trị tới hạn của và α thường là :

ANTEN LOGA CHU KỲ

Anten Yagi-Uda có độ lợi cao hơn nhưng băng thông hẹp hơn và nhiều chùm phụ.Loga chu kỳ có băng thông rộng với ít chùm phụ gần như không, do đó độ hướng mạnhnhưng có độ lợi tương đối thấp.

Anten Log Perodic ưu việt hơn trong việc phân biệt một nguồn so với các nguồn khác nếubỏ qua nhược điểm về độ lợi thấp.

2.3 Nguyên lý làm việc :

Tuân theo hệ quả của nguyên lý tương tự:

+ Hệ quả của nguyên lý tương tự : dựa vào nguyên lý tương tự có thể thiết lập các antenkhông phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiều khu vực có kích thước hình họckhác nhau Kích thước hình học của các khu vực ấy tỉ lệ với nhau theo một hệ số nhấtđịnh Khi anten làm việc với bước song nào đó thì sẽ chỉ có một khu vực của anten thamgia vào quá trình bức xạ Khu vực này gọi là miền bức xạ của anten Khi bước song côngtác thay đổi thì miền bức xạ của anten sẽ dịch chuyển đến khu vực mà tỉ lệ kích thướchình học của các phần tử bức xạ với bước sóng như lúc trước

+ Để đảm bảo đồ thị phương hướng của anten trong mặt phẳng không biến đổi khi thayđổi tần số công tắc,anten được đặt nghiêng một góc đenta so với mặt đắt ,sao cho độ caotương đối của mỗi phần tử so với một đất là đại lượng không đổi :

+ Nếu tần số tăng lần thì kích thước l giảm lần => chấn tử bức xạ chính chuyển sangchấn tử kế bên cạnh có kích thước nhỏ hơn

2.4 Đặc điểm trường bức xạ :

+ Tại mỗi chấn tử bức xạ chính, ta xác định một bước sóng hay một tần số làm việc + Lúc này chấn tử bức xạ chính đóng vai trò giống như chấn tử chủ động của anten Yagi

+ Hàm phương hướng bức xạ mặt phẳng H (yoz):

+ Hàm phương hướng bức xạ mặt phẳng E (xoz):

ANTEN LOGA CHU KỲ

+ Tiếp điện chéo như hình :

+ Mô hình tiếp điện có tính chất đối xứng ,phù hợp với việc tiếp điện cho anten sử dụngđường dây song hành (vì có tính đối xứng )

Nếu muốn tiếp điện bằng cáp đồng trục thì phải sử dụng phương pháp biến đổi đối xứng

III TÍNH TOÁN ANTEN LOGA – CHU KỲ

Cấu trúc chung của một mảng anten loga chu kỳ được mô tả theo các tham số thiết kế α, và σ

xác định bởi:

ANTEN LOGA CHU KỲ

Trong đó:

: băng thông được thiết kế: băng thông được yêu cầu

: băng thông vùng hoạt động

Tổng chiều dài của cấu trúc L, từ phần tử ngắn nhất (l ) đến phần tử dài nhất (l ), đượcminmaxxác định bởi:

Từ dạng hình học của hệ thống, số lượng phần tử được xác định bởi:

Khoảng cách giữa các tâm của các dây dẫn dòng nạp có thể được xác định bằng cách chỉđịnh trở kháng đầu vào yêu cầu (giả định là thực) và đường kính của các phần tử lưỡngcực và dây dẫn dòng nạp Để thực hiện điều này, trước tiên phải xác định trở kháng đặctính trung bình của các phần tử được đưa ra bởi:

Đối với thiết kế loga chu kỳ lý tưởng, tỷ lệ này phải giống nhau cho tất cả các phần tử củamảng Tuy nhiên, trên thực tế, các phần tử thường được chia thành một, hai, ba hoặcnhiều nhóm với tất cả các phần tử trong mỗi nhóm có cùng đường kính nhưng khôngcùng chiều dài Số lượng nhóm được xác định bởi tổng số phần tử của mảng Thôngthường phải đủ ba nhóm (cho các phần tử nhỏ, trung bình và lớn).

Hiệu năng của các phần tử lưỡng cực trên dòng đầu vào được đặc trưng bởi các đồ thị chotrong Hình 3.2 Trong đó:

σ’: Khoảng cách trung bình tương đối

Za: Trở kháng đặc tính trung bình của các phần tửRin: Trở kháng vào (thực)

Zo: Trở kháng đặc tính dòng nạp

Khoảng cách giữa tâm s của hai thanh của dòng nạp, mỗi thanh có đường kính giống hệtnhau, được xác định bằng:

20

ANTEN LOGA CHU KỲ

Hình 3.2: Trở kháng đặc tính tương đối của dòng nạp như một hàm của trở kháng đặctính tương đối của phần tử lưỡng cực

3.1.Yêu cầu đề bài: Dải tần hoạt động từ 3- 4 GHz

Hệ số tăng ích > 6dBi

Trang web dùng để tính toán:

Cụ thể:

22

ANTEN LOGA CHU KỲ

3.2 INPUT

Lowest frequency f = 3000 MHz₁ Highest frequency f = 4000 MHzₙ Diameter of the shortest element = 1 mm⌀ Characteristic input impedance Zc_in = 50 Ω Taper τ = 0.918

Optimal relative spacing σ = 0.172ₒₚₜ Chosen relative spacing σ = 0.172

3.3 RESULTING DESIGN

Number of elements ⌊N⌉ = 10 Dipole element lengths: dipole ℓ = 0.050 m₁ dipole ℓ = 0.046 m₂ dipole ℓ = 0.042 m₃ dipole ℓ = 0.039 m₄ dipole ℓ = 0.035 m₅ dipole ℓ = 0.033 m₆ dipole ℓ = 0.030 m₇ dipole ℓ = 0.027 m₈ dipole ℓ = 0.025 m₉ dipole ℓ = 0.023 m₁₀

Sum of all dipole lengths ℓ = 0.350 mₜₒₜ Distances between the element centres and their position along the boom: d , = 0.017 m, i.e ℓ @ 0.017 m₁ ₂ ₂ d , = 0.016 m, i.e ℓ @ 0.033 m₂ ₃ ₃ d , = 0.014 m, i.e ℓ @ 0.047 m₃ ₄ ₄ d , = 0.013 m, i.e ℓ @ 0.061 m₄ ₅ ₅ d , = 0.012 m, i.e ℓ @ 0.073 m₅ ₆ ₆ d , = 0.011 m, i.e ℓ @ 0.084 m₆ ₇ ₇ d , = 0.010 m, i.e ℓ @ 0.094 m₇ ₈ ₈ d , = 0.009 m, i.e ℓ @ 0.104 m₈ ₉ ₉ d , = 0.009 m, i.e ℓ @ 0.113 m₉ ₁₀ ₁₀ Boom length L = 0.113 m

Length of the terminating stub ℓ_Zterm = 0.012 m

24

ANTEN LOGA CHU KỲ

IV.MÔ PHỎNG ANTEN LOGA CHU KỲ BẰNG HFSS

4.1 Tạo sẵn những thông số của ăng ten trong Design Properties

4.2 Tạo Boom