báo cáo bài tập lớn môn học anten và truyền sóng đề tài tìm hiểu về ăng ten nơ

Dải tần UHF với đặc điểm có nhiều dao động trong một chukỳ do tần số cao, dải tần rộng thể hiện rõ trên Hình 1.4, do đó có thể khắc phục đượchiện tượng nhiễu lẫn nhau giữa các kênh truyề

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Đề tài: TÌM HIỂU VỀ ĂNG-TEN NƠ

Giảng viên hướng dẫn: GV Đoàn Thị Ngọc Hiền

GV Tạ Sơn Xuất Thành viên nhóm: Bùi Đăng Huy – 20203446

Trương Quang Huy – 20203459 Hoàng Thị Thanh Huyền – 20203461 Nguyễn Gia Khảm – 20203465 Lại Văn Khởi – 20192944

Kim Tuấn Kiệt – 20203479

Hoàng Khánh Linh – 20200345 Nguyễn Phương Linh - 20203730

Hà Nội, tháng 02 năm 2023

LỜI NÓI ĐẦU 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN NƠ 5

1.1 Giới thiệu về ăng-ten nơ 5

1.2 Lịch sử 6

1.3 Cấu tạo 7

1.4 Nguyên lý bức xạ 8

1.5 Đặc tính 9

1.6 Ưu điểm và nhược điểm của ăng-ten nơ 13

1.6.1 Ưu điểm 13

1.6.2 Nhược điểm 13

1.7 Ứng dụng của ăng-ten nơ 13

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĂNG-TEN NƠ VI DẢI 14

2.1 Thiết kế 15

2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật 15

2.1.2 Số liệu thiết kế 16

2.2 Mô phỏng 17

2.3 Kết quả mô phỏng 21

2.4 Nhận xét 22

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 23

PHỤ LỤC 24

hiểu biết và nắm rõ quá trình truyền sóng của ăng-ten là không thể thiếu đối với mộtsinh viên ngành kỹ thuật Điện tử-Viễn thông Bởi bất cứ một hệ thống thông tin vôtuyến nào cũng phải sử dụng đến ăng-ten để thu phát tín hiệu Do đó, trong rất nhiềuloại ăng-ten phổ biến, vận dụng kiến thức đã học của môn “Anten và truyền sóng”cùng tham khảo các tài liệu từ nhiều nguồn uy tín, chúng em đã quyết định chọn loạiăng-ten nơ để tìm hiểu và mô phỏng

Trong phạm vi bài báo cáo của đề tài này, chúng em tập trung trình bày về lịch sử,cấu tạo, nguyên lý bức xạ, đặc tính cơ bản cũng như ứng dụng của ăng-ten nơ Cùngvới đó, thiết kế và mô phỏng một ăng-ten nơ trên phần mềm HFSS Bài báo cáo gồm 3chương:

Chương 1: Tổng quan về ăng-ten nơ

Chương 2: Thiết kế và mô phỏng ăng-ten nơ

Chương 3: Kết luận

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình một ăng-ten nơ đơn giản 5

Hình 1.2 Một ăng-ten nơ với tên gọi ăng-ten râu mèo 5

Hình 1.3 Folded dipole ăng-tenna 6

Hình 1.4 Các dải tần số cơ bản 7

Hình 1.5 Cấu tạo ăng-ten nơ truyền thống 8

Hình 1.6 Ăng-ten nơ dạng khung dây 8

Hình 1.7 Ăng-ten nơ mở 1 góc 60 90 Hình 1.8 Mô hình đường truyền sóng phân cực thẳng 10

Hình 1.9 Radiation pattern đa hướng (trong một mặt phẳng) 10

Hình 1.10 Đồ thị bức xạ của một ăng-ten nơ cơ bản tại f và 2 f 11min min Hình 1.11 Đồ thị bức xạ của một ăng-ten nơ cơ bản tại 3 f và 3.5 f 11min min Hình 1.12 Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E và H 12

Hình 1.13 Độ tăng ích theo tần số chuẩn hóa tại broadside 12

Hình 1.14 Đồ thị VSWR theo tần số chuẩn hóa 13

Hình 1.15 Ăng-ten nơ hoạt động ở dải tần UHF 14

Hình 1.16 Ăng-ten TV sử dụng 8 ăng-ten nơ 14

Hình 1.17 Ứng dụng của ăng-ten nơ 15

Hình 2.1 Kích thước phần anten không chứa hộp bao ngoài 16

Hình 2.2 Kích thước hộp bao ngoài anten 16

Hình 2.3 Thông số tấm điện môi 17

Hình 2.4 Thông số hai cánh anten 18

Hình 2.6 Tiếp điện cho anten với điện trở tiếp điện 50

Ohm 19

Hình 2.7 Thông số của hộp Airbox 20

Hình 2.8 Hộp Airbox bao quanh anten 20

Hình 2.9 Đồ thị bức xạ anten nơ vi dải dạng 3D ở tần số 3.5 GHz 21

Hình 2.10 Đồ thị bức xạ anten nơ vi dải dạng 2D ở tần số 3.5 GHz trong mặt phẳng theta 22

Hình 2.11 Đồ thị tham số S11 22

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN NƠ

1.1 Giới thiệu về ăng-ten nơ

Ăng-ten nơ, tiếng anh gọi là Bow-tie antenna, là một ăng-ten kim loại hình chữ “X”giống như hình một chiếc nơ

Hình 1.1 Mô hình một ăng-ten nơ đơn giản

Như Hình 1.1, có thể thấy hai cánh của ăng-ten được thiết kế đối xứng về cả haiphía Hình dáng bề ngoài giống như một con bướm với đôi cánh mở rộng nên đôi khiăng-ten nơ còn được gọi là “ăng-ten cánh bướm” Khi các phần tử nơ có một thanhkim loại dùng để đóng ăng-ten thì nó cũng có thể được gọi là “ăng-ten râu mèo nhưHình 1.2

Hình 1.2 Một ăng-ten nơ với tên gọi ăng-ten râu mèo

Ăng-ten nơ là một biến thể từ loại “folded dipole antenna” – một trong những ăng-ten đầutiên được phát minh Do đó nó sẽ kế thừa một số đặc tính, nguyên lý của ăng-ten dipolenhưng vẫn có những đặc trưng riêng sẽ được trình bày trong phần sau của bản báo cáo

Hình 1.3 Folded dipole ăng-tenna 1.2 Lịch sử

Trong những năm 1880, ngành phát thanh ở Mỹ gặp phải khó khăn trong việc cáckênh truyền bị nhiễu lẫn nhau do cộng ngệ phát sóng chưa được tốt Lúc ấy, Mỹ có 13kênh được phẩn bổ cho các chương trình tivi, đánh số từ 1 đến 13 Các kênh truyền có

số liền kề có thể bị nhiễu lẫn nhau do các yếu tố như thời tiết, kỹ thuật,… trong phạm

vi cho phép Do đó nếu một thành phố phát sóng trên kênh 8 thì các thành phố giápranh không thể phát trên kênh 7 hoặc 9 Điều này gây nên khó khăn trong việc mở rộngmạng lưới truyền hình trên khắp cả nước

Để khắc phục điều này, chính phủ Mỹ đã phải phân bổ lại dải tần cho các chươngtrình phát sóng trên truyền hình thành 470Mhz đến 890Mhz Đây là dải tần nằm trongkhoảng tần số có tên gọi là UHF (Ultra high frequency), tức tần số cực cao, thường từ300Mhz đến 3000 Mhz Dải tần UHF với đặc điểm có nhiều dao động trong một chu

kỳ do tần số cao, dải tần rộng thể hiện rõ trên Hình 1.4, do đó có thể khắc phục đượchiện tượng nhiễu lẫn nhau giữa các kênh truyền

Hình 1.4 Các dải tần số cơ bản

Đáp ứng nhu cầu thu nhận sóng UHF ăng-ten nơ đã được ra đời, tiên phong là Brow

và Woodward Bởi lí do ăng-ten nơ có cấu hình đặt theo dạng chữ “X” thay vì các phần

tử đặt theo chiều ngang sẽ giúp thu được dải tần rộng Kết cấu đơn giản, có thể thay đổi linh hoạt theo giá trị UHF bởi nguyên tắc “kích thước của một ăng-ten phải bằng bội số hoặc nhỏ hơn một phần của tần số cần thu”

Sau năm 2009 thì 90% sóng truyền hình đã chuyển sang băng tuần UHF khiến việcthu được nhiều kênh truyền hình chở nên dễ dàng hơn Các kênh có thể đặt ngay cạnhnhau mà không ảnh hướng đến nhau Do đó ăng-ten nơ ngày càng được sử dụng phổbiến hơn

1.3 Cấu tạo

Ăng ten nơ là một loại ăng ten lưỡng cực và có thể được coi là biến thể của dipole Thay vì sử dụng 2 đoạn dây dẫn thẳng thì ăng-ten nơ truyền thống được thiết kế gồm 2 tấm vật dẫn mỏng hình tam giác, được đặt đối đỉnh gần sát nhau và nằm trong cùng một mặt phẳng (Hình 1.5) và được tiếp điện ở giữa

Hình 1.5 Cấu tạo ăng-ten nơ truyền thống

Một kiểu thiết kế khác thường gặp hơn của ăng-ten nơ là làm bằng dây dẫn tạothành khung hình tam giác thay vì dùng cả tấm và được tiếp điện ở giữa như dipole(Hình 1.6) Loại này thông dụng hơn vì có nhiều lợi ích hơn như chống gió tốt, giảmtrọng lượng, giảm chi phí sản xuất,…

Hình 1.6 Ăng-ten nơ dạng khung dây 1.4 Nguyên lý bức xạ

Vì ăng ten nơ là một biến thể của dipole, nó có nguyên lý bức xạ và dạng bức xạ đa hướng giống với dipole Bức xạ của dipole dây mỏng về cơ bản được hình thành bởi sự chồng chất của bức xạ trực tiếp từ dòng cấp từ nguồn và phản xạ mạnh ở đầu mút Mối

quan hệ độ lớn và pha giữa sóng tới và sóng phản xạ xác định định dạng và hiệu suất trở kháng của ăng-ten Do sự kết hợp pha chặt chẽ giữa các thành phần trong dipole dây mỏng, hiệu suất của nó phụ thuộc vào tần số cao Bằng cách biến đổi dipole dây mỏng thành thắt nơ, các thành phần phản xạ ở cạnh và các góc của ăng-ten nơ có sự kết hợp pha yếu hơn, đóng góp vào bức xạ và dẫn đến băng thông hoạt động rộng hơn Ăng-ten nơ hoạt động thường thu nhận tín hiệu từ một góc 60 , lý tưởng cho việc0nhận tín hiệu từ nguồn khác nhau, giúp ăng-ten có thể thu được tín hiệu trong khoảngdải tần rộng.

Hình 1.7 Ăng-ten nơ mở 1 góc 60 0

1.5 Đặc tính

Ăng-ten nơ có băng thông rộng Do làm việc ở dải tần cao nên hiệu suất truyền(transmitting efficiency) kém hơn khi ở dải tần số thấp so với ăng-ten loga chu kỳ

Về phân cực, ăng-ten nơ có phân cực thẳng nên nó chỉ nhận tín hiệu theo hướng

của hình nón hay cánh của con bướm Do đó nó sẽ không nhận được tín hiệu bên ngoàimặt phẳng đó (tham khảo mô hình của ăng-ten parabol Hình 1.8)

Hình 1.8 Mô hình đường truyền sóng phân cực thẳng

Về đồ thị bức xạ (radiation pattern), ăng-ten nơ có radiation pattern là đa hướng

(omnidircectional) trong một mặt phẳng (Hình 1.9)

Hình 1.9 Radiation pattern đa hướng (trong một mặt phẳng)

Ta xét dải tần hoạt động của một ăng-ten nơ cơ bản (đặc trưng nhất) từ fmin đến fmaxvới góc mở 60 Trong phạm vi gần f thì ăng-ten nơ có đồ thị bức xạ phần lớn là đa0

minhướng trong mặt phẳng H (Hình 1.12), nếu tần số vượt quá 2f đồ thị giảm nhanhminchóng (Hình 1.10) Khi tăng tiếp tần số lên đến 3.5f thì các chùm ngoài lề đã hìnhminthành (Hình 1.11)

Hình 1.10 Đồ thị bức xạ của một ăng-ten nơ cơ bản tại f và 2 f min min

Hình 1.11 Đồ thị bức xạ của một ăng-ten nơ cơ bản tại 3 f và 3.5 f min min

Hình 1.12 Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E và H

Về độ tăng ích (gain), ăng-ten nơ có độ tăng ích không cao thường từ 1dBi đến

4.5dBi, trung bình khoảng 4dBi Ta có thể quan sát độ tăng ích của ăng-ten nơ trongphổ tần được chuẩn hóa để thấy rõ điều này tại broadside (Hình 1.13)

Hình 1.13 Độ tăng ích theo tần số chuẩn hóa tại broadside

Về đặc tính trở kháng, ăng-ten nơ có đặc tính trở kháng khá tốt Tỉ số điện áp

VSWR không bị suy giảm nhiều khi tần số tăng lên bởi những ưu điểm ở cấu hình của

nó (Hình 1.14) Khi ở tần số cao có xuất hiện các gợn sóng nhưng VSWR vẫn nằmdưới một giá trị nhất định VSWR có giảm đi đôi chút là do sử dụng chất nền(substrate) dày và hiệu suất cao Điều này được chỉ ra khi thử nghiệm với chất nềnmỏng hơn thì các đỉnh gợn sóng cao hơn Mô hình được vẽ với trở kháng tham chiếu là

250 ohm

Hình 1.14 Đồ thị VSWR theo tần số chuẩn hóa 1.6 Ưu điểm và nhược điểm của ăng-ten nơ

1.6.1 Ưu điểm

• Thiết kế đơn giản, nhẹ và chi phí thấp

• Dải tần rộng

• Thu được tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau

• Thu được tín hiệu UHF trong khoảng dải tần rộng

1.6.2 Nhược điểm

• Hiệu suất truyền kém trong dải tần số thấp

• Dò và phát hiện tín hiệu RF không tốt bằng ăng-ten dipole hình chóp

1.7 Ứng dụng của ăng-ten nơ

Dải tần hoạt động của ăng-ten nơ là UHF hoạt động tốt ở dải tần 470MHz – 890MHz

Hình 1.15 Ăng-ten nơ hoạt động ở dải tần UHF

Ăng-ten nơ được sử dụng nhiều việc thu nhận sóng ti vi, trạm phát thanh vì khảnăng thu được tín hiệu ở khoảng tần số rộng Hơn thế nữa nó nhỏ nhẹ, thiết kế đơngiản và chi phí thấp

Hình 1.16 Ăng-ten TV sử dụng 8 ăng-ten nơ

Ngoài ra, ăng-ten nơ còn được ứng dụng trong mạng giao tiếp không dây, tối ưuhóa truyền radar xuyên mặt đất

Hình 1.17 Ứng dụng của ăng-ten nơ

Nhờ vào các ưu điểm như thiết kế đơn giản, ăng-ten nơ ngày càng được sử dụngrộng rãi trong nhiều lĩnh vực Những nghiên cứu tương lai về ăng-ten nơ sẽ được tiếptục nhằm nâng cấp, tối ưu hiệu suất cũng như đơn giản hóa cấu trúc hay kiểm soátnăng lượng bức xạ, nâng cao băng thông

2.1.2 Số liệu thiết kế

Hình 2.1 Kích thước phần anten không chứa hộp bao ngoài

Hình 2.2 Kích thước hộp bao ngoài anten

- Vật liệu: Arlon CuClad 217 (tm)

- Kích thước: subX = 50mm, subY = 76mm, subH = 2mm

Hình 2.3 Thông số tấm điện môi

Hình 2.4 Thông số hai cánh anten

* Tạo đường lumped-port cho anten

- Tạo một hình chữ nhật nối 2 chân cánh với thông số dưới đây

Hình 2.5 Thông số của hình chữ nhật nối 2 chân cánh

- Tạo đường port theo chiều từ dưới lên cho hình này:

Hình 2.6 Tiếp điện cho ăng-ten với điện trở tiếp điện 50 Ohm

* Tạo hộp Airbox cho anten

Hình 2.7 Thông số của hộp AirBox

Hình 2.8 Hộp AirBox bao quanh anten

2.3 Kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng, thông số được trình bày các hình sau đây:

Hình 2.9 Đồ thị bức xạ ăng-ten nơ vi dải dạng 3D ở tần số 3.5GHz

Hình 2.10 Đồ thị bức xạ ăng-ten nơ vi dải dạng 2D ở tần số 3.5GHz trong mặt phẳng Theta

Ở dải tần này, đồ thị bức xạ không còn ở dạng đa hướng và trường bức xạ mạnhnhất theo hướng vuông góc với mặt phẳng đế, hệ số tăng ích thu được khá nhỏ (Max2.5 dB)

Hình 2.11 Đồ thị tham số S11

Hệ số S11 đạt cực tiểu -17.02dB tại tần số 𝑓𝑓 = 3.54 GHz thõa mãn các yêu cầu

đề bài, băng thông S11< -10dB chiếm 100% dải tần hoạt động (3.1-3.8GHz)

2.4 Nhận xét

Kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết đã tìm hiểu được cũng như thõa mãn yêucầu bài toán đặt ra

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN

Sau thời gian nỗ lực tìm hiểu, chúng em đã thực hiện mô phỏng thành công ăng-ten

nơ vi dải hoạt động trong dải tần 3.1-3.8 GHz bằng phần mềm HFSS Vượt qua khuônkhổ một bài tập lớn, chúng em đã tiếp thu được nhiều kiến thức về loại ăng-ten nàyđồng thời trau dồi kỹ năng sử dụng phần mềm mô phỏng Mặc dù đã rất cố gắng, tuynhiên do giới hạn về mặt kiến thức cũng như tài liệu liên quan nên báo cáo của chúng

em hẳn còn rất nhiều thiếu sót Do đó rất mong được sự quan tâm góp ý của thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn!

PHỤ LỤC

Tài liệu tham khảo:

2 https://www.elprocus.com/different-types-of-antennas-with-properties-and working/

a-bow-8 https://www.researchgate.net/publication/222537511_Comparison_of_dipole_b owtie_spiral_and_log-periodic_IR_antennas

9 Antenna Magus 5.5.0: 9-12-2015, Content Copyright Magus Pty (Ltd)

10 Anten v9 truyeềền s<ng – PGS.TS Phan Anh

11 C?c b9i b?o trền https://www.ieee.org/

Thành viên nhóm và phân công công việc:

1 Bùi Đăng Huy 20203446 Nguyên lý bức xạ; Đặc tính, ưu nhượcđiểm, ứng dụng của Anten nơ

2 Trương Quang Huy 20203459 Tổng quan, lịch sử và phân loại cácAnten nơ

3 Hoàng Thị Thanh Huyền 20203461

Cấu tạo của Anten nơ; Nguyên

lý bức xạ; Đặc tính, ưu nhược điểm,ứng dụng của Anten nơ

4 Nguyễn Gia Khảm 20203465 Mô phỏng, tính thông số của Anten

nơ

5 Lại Văn Khởi 20192944 Đặc tính, ưu nhược điểm, ứng dụngcủa Anten nơ

7 Hoàng Khánh Linh 20200345 Đặc tính, ưu nhược điểm, ứng dụngcủa Anten nơ

8 Nguyễn Phương Linh 20203730 Thuyết trìnhLàm slide;