Báo Cáo Bài Tập Lớn Môn Học Anten Và Truyền Sóng Tìm Hiểu Về Ăng-Ten Nơ.pdf

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: TS Đoàn Thị Ngọc Hiền Sinh viên thực hiện:

Ngô Tuấn Thành 20221115P Nguyễn Anh Quân 20221107P Phạm Khắc Thuận 20221116P Nguyễn Minh Tiến 20221120P Nguyễn Văn Dương 20221086P

Hà Nội, tháng 12 năm 2023

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN NƠ 5

1.1 Giới thiệu về ăng-ten nơ 5

1.7 Ứng dụng của ăng-ten nơ 13

CHƯƠNG II KẾT LUẬN 15

PHỤ LỤC 16

LỜI NÓI ĐẦU

Với xu hướng công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ, trong đó có các hệ thống thông tin Chúng ta được biết đến hệ thống thông tin 5G và tương lai không xa là 6G hay nhiều công nghệ mới khác đang được con người nghiên cứu và phát triển Việc hiểu biết và nắm rõ quá trình truyền sóng của ăng-ten là không thể thiếu đối với một sinh viên ngành kỹ thuật Điện tử-Viễn thông Bởi bất cứ một hệ thống thông tin vô tuyến nào cũng phải sử dụng đến ăng-ten để thu phát tín hiệu Do đó, trong rất nhiều loại 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 loại ăng-ten nơ để tìm hiểu

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 Bài báo cáo gồm 2 chương:

- Chương I: Tổng quan về ăng-ten nơ - Chương II: Kết luận và phụ lục

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Mô hình một ăng-ten nơ đơn giản Hình 2 Một ăng-ten nơ với tên gọi ăng-ten râu mèo Hình 3 Folded dipole ăng-tenna

Hình 4 Các dải tần số cơ bản Hình 5 Cấu tạo ăng-ten nơ truyền thống Hình 6 Ăng-ten nơ dạng khung dây Hình 7 Ăng-ten nơ mở 1 góc 60 0

Hình 8 Mô hình đường truyền sóng phân cực thẳng Hình 9.Radiation pattern đa hướng (trong một mặt phẳng) Hình 10 Đồ thị bức xạ của một ăng-ten nơ cơ bản tại f và 2 f minmin

Hình 11 Đồ thị bức xạ của một ăng-ten nơ cơ bản tại 3 f và 3.5 f minmin

Hình 12 Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E và H Hình 13 Độ tăng ích theo tần số chuẩn hóa tại broadside Hình 14 Đồ thị VSWR theo tần số chuẩn hóa Hình 15 Ăng-ten nơ hoạt động ở dải tần UHF Hình 16 Ăng-ten TV sử dụng 8 ăng-ten nơ Hình 17 Ứng dụng của ăng-ten nơ

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 Mô hình một ăng-ten nơ đơn giản

Như Hình 1, có thể thấy hai cánh của ăng-ten được thiết kế đối xứng về cả hai phía Hình dáng bề ngoài giống như một con bướm với đôi cánh mở rộng nên đôi khi ăng-ten nơ còn được gọi là “ăng-ten cánh bướm” Khi các phần tử nơ có một thanh kim loại dùng để đóng ăng-ten thì nó cũng có thể được gọi là “ăng-ten râu mèo như Hình 2

Hình 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 đầu tiên được phát minh Do đó nó sẽ kế thừa một số đặc tính, nguyên lý của ăng-tendipole nhưng vẫn có những đặc trưng riêng sẽ được trình bày trong phần sau của bản báo cáo

Hình 3 Folded dipole ăng-tenna

- Đến những năm 1970 và 1980, công nghệ ăng ten nơ tiếp tục phát triển và được áp dụng trong các lĩnh vực khác nhau như viễn thông di động và truyền thông di động

- Trong thập kỷ gần đây, với sự phát triển của công nghệ không dây và mạng di động, ăng ten nơ vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp kết nối và truyền thông tin - Các công nghệ mới như 5G và Internet of Things (IoT) đòi hỏi hiệu suất cao và khả năng kết nối đa dạng, và ăng ten nơ vẫn được phát triển để đáp ứng các yêu cầu này.

Hình 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 việc thu được nhiều kênh truyền hình chở nên dễ dàng hơn Các kênh có thể đặt ngay cạnh nhau mà không ảnh hướng đến nhau Do đó ăng-ten nơ ngày càng được sử dụng phổ biến 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 5) và được tiếp điện ở giữa

Hình 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 tạo thành khung hình tam giác thay vì dùng cả tấm và được tiếp điện ở giữa như dipole (Hình 6) Loại này thông dụng hơn vì có nhiều lợi ích hơn như chống gió tốt, giảm trọng lượng, giảm chi phí sản xuất,…

Hình 6 Ăng-ten nơ dạng khung dây

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 việc 0

nhận tín hiệu từ nguồn khác nhau, giúp ăng-ten có thể thu được tín hiệu trong khoảng dải tần rộng

Hình 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 ngoài mặt phẳng đó (tham khảo mô hình của ăng-ten parabol Hình 8)

Hình 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 9)

Hình 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 f đến fminmax

với góc mở 60 Trong phạm vi gần f thì ăng-ten nơ có đồ thị bức xạ phần lớn là đa 0min

hướng trong mặt phẳng H (Hình 12), nếu tần số vượt quá 2f đồ thị giảm nhanh chóng min

(Hình 10) Khi tăng tiếp tần số lên đến 3.5f thì các chùm ngoài lề đã hình thành (min Hình 11)

Hình 10 Đồ thị bức xạ của một ăng-ten nơ cơ bản tại fmin và 2 fmin

Hình 11 Đồ thị bức xạ của một ăng-ten nơ cơ bản tại 3 fmin và 3.5 fmin

fmin 2 fmin

3 fmin 3.5 fmin

Hình 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 trong phổ tần được chuẩn hóa để thấy rõ điều này tại broadside (Hình 13)

Hình 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 14) Khi ở tần số cao có xuất hiện các gợn sóng nhưng VSWR vẫn nằm dưới 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 nền mỏng hơn thì các đỉnh gợn sóng cao hơn Mô hình được vẽ với trở kháng tham chiếu là 250 ohm

Hình 14 Đồ thị VSWR theo tần số chuẩn hóa

1.6 Ưu điểm và nhược điểm của ăng-ten nơ

- 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 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 khả năng thu được tín hiệu ở khoảng tần số rộng Hơn thế nữa nó nhỏ nhẹ, thiết kế đơn giản và chi phí thấp Nhờ vào các ưu điểm như thiết kế đơn giản, ăng-ten nơ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Những nghiên cứu tương lai về ăng-ten nơ sẽ được tiếp tục nhằm nâng cấp, tối ưu hiệu suất cũng như đơn giản hóa cấu trúc hay kiểm soát năng lượng bức xạ, nâng cao băng thông

Hình 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 ưu hóa truyền radar xuyên mặt đất

Hình 17 Ứng dụng của ăng-ten nơ

CHƯƠNG 2 KẾT LUẬN

Trong quá trình thực hiện bài tập lớn môn ăng ten nơ, chúng em đã nghiên cứu và tìm hiểu về ăng ten nơ cùng các khái niệm và công nghệ liên quan Chúng em đã xây dựng một mô hình ăng ten nơ và tiến hành mô phỏng để tìm hiểu hiệu quả hoạt động của nó Qua quá trình tìm hiểu, chúng em nhận thấy ăng ten nơ là một phần quan trọng trong các hệ thống truyền thông không dây, tổng hợp và truyền tải sóng điện từ Ăng ten nơ được thiết kế để gia tăng khả năng thu và phát sóng tín hiệu điện từ, đồng thời cũng cải thiện khả năng kết nối và tín hiệu trong môi trường không dây Qua việc áp dụng các kiến thức và công nghệ đã học trong môn học chúng em đã thực hiện các phép đo và mô phỏng hiệu suất của ăng ten nơ trong môi trường quy định Điều này là cốt lõi trong việc thiết lập hệ thống truyền thông không dây ổn định và hiệu quả Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện, chúng em cũng gặp một số thách thức Cần phải nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố như hệ số biến dạng, khả năng chống nhiễu, và phản xạ tín hiệu Đồng thời, cần có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn để nâng cao hiệu suất của mô hình ăng ten nơ Tổng kết lại, việc nghiên cứu về ăng ten nơ đã mang lại nhiều kiến thức bổ ích cho chúng em Chúng em hiểu rõ hơn về vai trò và ứng dụng của ăng ten nơ trong các hệ thống truyền thông không dây Đồng thời, chúng em cũng nhận thức được những thách thức và tiềm năng phát triển của lĩnh vực này Chúng em hy vọng rằng các kết quả và kinh nghiệm thu được từ bài tập lớn này sẽ có ích trong công việc và học tập của chúng

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

PHỤ LỤC Tài liệu tham khảo:

10 Các bài báo trên https://www.ieee.org/

Thành viên nhóm và phân công công việc:

1 Ngô Tuấn Thành 20221115P Nguyên lý bức xạ; Đặc tính, ưu nhược điểm, ứng dụng của Anten nơ 2 Nguyễn Anh Quân 20221107P Tổng quan, lịch sử và phân loại các Anten nơ 3 Nguyễn Minh Tiến 20221120P Cấu tạo của Anten nơ; Nguyên lý

bức xạ 4 Nguyễn Văn Dương 20221086P

Tổng quan, lịch sử và phân loại các

Anten nơ