Báo cáo anten và truyền sóng Đề tài tìm hiểu, mô phỏng anten lưỡng cực băng rộng

Trong số các loạianten phổ biến, anten lưỡng cực được sử dụng rộng rãi nhờ thiết kế đơn giản và hiệu quả.Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng cao cho các ứng dụng yêu cầu vùng phủ sóng trên

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO

ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Đề tài:

TÌM HIỂU, MÔ PHỎNG ANTEN LƯỠNG CỰC BĂNG RỘNG

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC HIỆP - 20213915

THÁI HỮU TUẤN HÀ - 20210300NGUYỄN HOÀNG NGUYÊN VŨ - 20214152

LÊ VĂN QUÂN - 20210707TRẦN VIỆT KHOA - 20213974

Giảng viên hướng dẫn: TS TẠ SƠN XUẤT

Hà Nội, June 13, 2024

LỜI NÓI ĐẦU

Anten là thiết bị quan trọng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến Nó chuyểnđổi sóng điện từ từ các hệ định hướng thành sóng điện từ lan truyền trong không gian

tự do và ngược lại Anten và đường dây dẫn đóng vai trò là cầu nối giữa các mạch điện

tử và không gian tự do, với đường dây dẫn đảm nhận việc giao tiếp giữa anten và mạchđiện tử Ngõ vào của đường dây dẫn cần phải phối hợp trở kháng với máy phát, trong khianten phát nhận năng lượng từ máy phát qua đường dây dẫn và bức xạ vào không gian.Ngoài yêu cầu về phối hợp trở kháng, anten còn phải đáp ứng các tiêu chí về hệ số tăngích và hướng bức xạ để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu

Hiện nay, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của các hệ thống vô tuyến, có rất nhiềuloại anten khác nhau được sử dụng Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và cácthiết bị di động, xu hướng hiện nay là các thiết bị nhỏ gọn và hiệu quả Trong số các loạianten phổ biến, anten lưỡng cực được sử dụng rộng rãi nhờ thiết kế đơn giản và hiệu quả.Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng cao cho các ứng dụng yêu cầu vùng phủ sóng trên mộtdải tần số rộng, như thu sóng truyền hình cho tất cả các kênh, anten băng thông rộng trởnên cần thiết Một số cấu hình lưỡng cực như lưỡng cực hình nón, mặc dù đơn giản vàgiá thành thấp, vẫn có thể đáp ứng được các yêu cầu này

Chúng em muốn bày tỏ lòng biết ơn đến TS Tạ Sơn Xuất đã giao cho chúng em

đề tài và hỗ trợ để hoàn thiện bài tập này Mặc dù chúng em đã đạt được một số kết quảtrong quá trình tìm hiểu, phân tích và mô phỏng, nhưng chắc chắn rằng không tránh khỏinhững thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý từ Thầy và mọi người Chúng

em xin chân thành cảm ơn

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em, nhóm tác giả của bài báo cáo này, cam đoan rằng toàn bộ nội dung đượctrình bày trong bài báo cáo là công sức nghiên cứu và làm việc của chúng em Tất cả các

ý kiến, kết luận và phân tích được trình bày là dựa trên kiến thức mà nhóm chúng em đãtìm hiểu

Chúng em xin cam đoan rằng:

1 Tất cả các phần mô tả và phân tích về anten lưỡng cực băng rộng được trình bàytrong bài báo cáo là dựa trên hiểu biết và nghiên cứu cẩn thận từ phía chúng em, không

có hành vi sao chép

2 Tất cả các mô phỏng và kết quả thực hiện được trình bày trong bài báo cáo là kếtquả của công việc nghiên cứu chính xác và cẩn thận từ phía chúng em, và không có sựcan thiệp hay tạo ra dữ liệu giả mạo

3 Tất cả các nguồn tài liệu, thông tin và dữ liệu tham khảo được sử dụng trong bàibáo cáo này đã được chỉ rõ, không có hành vi vi phạm bản quyền

Hà Nội, June 13, 2024

MỤC LỤC

1.1 Giới thiệu Anten 1

1.2 Lịch sử phát triển 1

1.3 Một số loại Anten 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ANTEN LƯỠNG CỰC BĂNG RỘNG 3 2.1 Đặc tính 3

2.1.1 Trường bức xạ 3

2.1.2 Trở kháng đầu vào 5

2.2 Nguyên lý bức xạ 6

2.3 Một số loại anten lưỡng cực băng rộng 7

2.3.1 Anten biconical 7

2.3.2 Anten nơ, mô hình tấm tam giác, mô phỏng dây 9

2.3.3 Anten Vivaldi 10

2.3.4 Dipole hình trụ 12

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 14 3.1 Yêu cầu 14

3.2 Tính toán thông số dựa trên lý thuyết 14

3.2.1 Các công thức cơ sở 14

3.2.2 Các thông số kỹ thuật của Anten 15

3.3 Mô phỏng anten 15

3.3.1 Các bước mô phỏng anten 15

3.3.2 Kết quả mô phỏng 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hình ảnh Anten hiện nay 2

Hình 1.2 Các cấu hình của dipole và loại băng thông tương ứng 2

Hình 2.1 Điện trường và từ trường trong anten nón 4

Hình 2.2 Điện áp và dòng điện ở khoảng cách r từ gốc 5

Hình 2.3 Trở kháng đầu vào với (0◦<α/2<90◦) 6

Hình 2.4 Hình học Biconical 7

Hình 2.5 Anten biconical đa hướng 8

Hình 2.6 Anten nơ, mô hình tấm tam giác, mô phỏng dây của anten biconical 9 Hình 2.7 Anten hình nơ trong thực tế 10

Hình 2.8 Anten Vivaldi 11

Hình 2.9 Anten Vivaldi trong thực tế 11

Hình 2.10 Cấu hình của anten hình trụ 12

Hình 2.11 Dipole hình trụ trong radar máy bay 13

Hình 3.1 Anten lưỡng cực trên ANSYS Electronics Desktop 14

Hình 3.2 Tấm substrate 16

Hình 3.3 Mặt dưới anten 16

Hình 3.4 Mặt trên anten 17

Hình 3.5 Lumped port 17

Hình 3.6 Mô hình anten 18

Hình 3.7 Đồ thị S11 18

Hình 3.8 Đồ thị bức xạ 19

Hình 3.9 Đồ thị bức xạ 19

CHƯƠNG 1 CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu Anten

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện theo haicách Một là sử dụng các hệ thống truyền dẫn như dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫnsóng, để "chuyên chở" sóng điện từ trực tiếp dưới dạng dòng điện trên đường truyền.Sóng điện từ lan truyền trong hệ thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến).Cách truyền này tuy có độ chính xác cao nhưng chi phí xây dựng hệ thống đường truyềnrất lớn

Hơn nữa, với khoảng cách xa hoặc địa hình phức tạp, việc xây dựng đường truyềnhữu tuyến trở nên không khả thi Do đó, phương pháp này được thay thế bằng cách chosóng điện từ bức xạ ra môi trường tự do Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ

tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến nơi thu Vì vậy, cần có một thiết bị để phát sóng điện từ

ra không gian và thu nhận sóng điện từ từ không gian, để đưa vào máy thu Thiết bị nàyđược gọi là anten

Anten là một thiết bị được sử dụng để phát và thu sóng điện từ Nó chuyển đổi tínhiệu điện thành sóng điện từ và ngược lại, cho phép truyền và nhận thông tin qua khônggian Anten đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến, bao gồmphát thanh, truyền hình, điện thoại di động, và các ứng dụng vệ tinh Nhờ có anten, cácthiết bị có thể giao tiếp không dây trên những khoảng cách lớn mà không cần sử dụng

hệ thống dây dẫn phức tạp

1.2 Lịch sử phát triển

Năm 1887, nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz là người đầu tiên chứng minh sựtồn tại của sóng vô tuyến Ông đã sử dụng một thiết bị phát và thu sóng đơn giản, đượccoi là hình thức sơ khai của anten Đến năm 1895, nhà phát minh người Ý GuglielmoMarconi phát triển hệ thống truyền thông vô tuyến đầu tiên, sử dụng anten để phát vàthu sóng vô tuyến Marconi đã thực hiện thành công truyền tin không dây qua khoảngcách dài

Vào những năm 1920, anten thẳng đứng và anten Yagi-Uda xuất hiện, được ứngdụng rộng rãi trong truyền thanh và truyền hình Đến những năm 1930, anten parabolđược phát minh, cải thiện đáng kể hiệu suất thu và phát sóng, trở thành công cụ quantrọng trong radar và liên lạc vệ tinh Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, anten vi dải vàanten thông minh ra đời, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao cho các thiết bị điện tử hiệnđại và hệ thống truyền thông không dây

Anten ngày nay đã trở thành một phần không thể thiếu trong các hệ thống truyền

thông hiện đại, từ các thiết bị di động, hệ thống GPS, đến các mạng viễn thông và cácứng dụng vũ trụ Công nghệ tiếp tục phát triển với các thiết kế anten phức tạp hơn, nhưanten MIMO (multiple-input multiple-output) trong các hệ thống 4G và 5G, giúp tăngcường khả năng truyền và nhận tín hiệu.

Hình 1.1 Hình ảnh Anten hiện nay

1.3 Một số loại Anten

Một trong các mục tiêu trong việc thiết kế anten là mở rộng băng thông của nó.Thông thường, tùy vào đáp ứng của mỗi anten, cùng với tần số, có thể chia băng thôngthành 3 loại: băng hẹp, băng trung gian và băng rộng

Hình 1.2 Các cấu hình của dipole và loại băng thông tương ứng

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ANTEN LƯỠNG CỰC BĂNG RỘNG

Hφ = H0sinθ

e− jkr

Eθ = ηHφ = η H0

sinθ

e− jkr

Hình 2.1 Điện trường và từ trường trong anten nón

Hình 2.1 đã phác thảo các đường điện và từ trường trong khoảng trống giữa hai cấutrúc hình nón Điện áp được tạo ra giữa hai điểm tương ứng trên hình nón, một khoảngcách r từ gốc được tính

Điện áp được tạo ra giữa hai điểm tương ứng trên hình nón, một khoảng cách r từgốc được tính:

Hφrsinθ dφ = H0e− jkr

Z 2π 0

dφ = 2πH0e− jkr (2.12)

Hình 2.2 Điện áp và dòng điện ở khoảng cách r từ gốc

Sử dụng công thức (2.11) và (2.12) ta tính được trở kháng đặc tính

Zc =V(r)I(r) =

Sử dụng (2.12) với r = 0 ta tính được:

Rr= 2Prad[I(0)]2 = η

πln[cot(α

Mặc dù góc nửa hình nón không quan trọng lắm trong thiết kế nhưng nó thườngđược chọn sao cho trở kháng đặc tính của cấu hình hình nón gần giống với trở kháng đặctính của đường truyền mà nó sẽ được gắn vào Anten hình nón góc nhỏ không thực tếlắm nhưng cấu hình góc rộng (30◦<α/2<60◦)

Hình 2.3 Trở kháng đầu vào với (0◦<α/2<90◦)

2.2 Nguyên lý bức xạ

Anten lưỡng cực hoạt động dựa trên nguyên lý bức xạ điện từ Khi dòng điện xoaychiều đi qua anten, nó tạo ra một trường điện từ biến thiên Sự biến thiên này lan truyềntrong không gian dưới dạng sóng điện từ Đối với anten lưỡng cực băng rộng, cấu trúc

và thiết kế của anten phải đảm bảo rằng sóng điện từ có thể phát ra hiệu quả trên một dảitần số rộng

Một số nguyên lý cơ bản của bức xạ trong anten lưỡng cực băng rộng bao gồm:

• Độ dài lưỡng cực: Anten lưỡng cực điển hình có chiều dài bằng nửa bước sóng của

tần số hoạt động trung tâm Để đạt được băng rộng, thiết kế anten phải cho phéphoạt động hiệu quả ở nhiều bước sóng khác nhau

• Tính cân bằng và đối xứng: Để bức xạ hiệu quả, anten phải được thiết kế sao cho

các phần tử bức xạ (các nhánh lưỡng cực) cân bằng và đối xứng, giúp tối ưu hóaphân bố dòng điện và trường điện từ

• Kĩ thuật phối hợp trở kháng: Để duy trì hiệu suất bức xạ tốt trên một dải tần số

rộng, anten cần phải có trở kháng phù hợp với hệ thống truyền tải, thường thông quacác kỹ thuật như dùng balun (balanced to unbalanced transformer) hoặc các mạchghép trở kháng thích hợp

2.3 Một số loại anten lưỡng cực băng rộng

Anten biconical là một cấu hình đơn giản để có thể đạt được các đặc tính băngrộng, được tạo ra bằng cách đặt hai hình nón có kích thước vô hạn lại với nhau như tronghình 2.4 Ta có thể tìm được điện trường, từ trường như công thức (2.11) , (2.12)

Hình 2.4 Hình học Biconical

Hình ảnh thực tế của anten biconical đa hướng 2.5

Hình 2.5 Anten biconical đa hướng

Anten biconical, với khả năng hoạt động trong dải tần số từ vài MHz đến vài GHznên đi kèm với đó là một số ứng dụng như:

• Đo lường và thử nghiệm EMC: Anten biconical thường được sử dụng trong các

bài kiểm tra EMC để đánh giá khả năng miễn nhiễm và phát xạ của các thiết bị điện

tử Do khả năng phủ sóng băng rộng, anten này có thể thu hoặc phát sóng trong mộtdải tần số rộng, rất cần thiết trong các bài kiểm tra EMC

• Thiết Bị Đo Lường và Kiểm Tra Tần Số Vô Tuyến (RF): Anten biconical là mộtcông cụ quan trọng trong các thiết bị đo lường và kiểm tra RF Nó giúp các kỹ sư vànhà khoa học kiểm tra và hiệu chuẩn các thiết bị RF bằng cách cung cấp một thamchiếu băng rộng với đặc tính bức xạ được biết rõ

• Các Nghiên Cứu và Phát Triển Anten: Trong các nghiên cứu và phát triển anten,anten biconical thường được sử dụng như một mô hình tham chiếu để so sánh vàkiểm tra các thiết kế anten mới Khả năng băng rộng và hiệu suất ổn định của nócung cấp một nền tảng vững chắc cho việc phát triển và cải tiến các thiết kế anten

2.3.2 Anten nơ, mô hình tấm tam giác, mô phỏng dây

Do có đặc tính băng thông rộng, anten biconical đã được sử dụng trong nhiều năm

ở các dải tần số VHF và UHF Tuy nhiên, cấu trúc biconical dạng rắn hoặc vỏ là quálớn đối với hầu hết các tần số hoạt động nên rất khó để triển khai trong thực tế Nhiềucác biến thể thực tế đối với các cấu trúc cơ học đã được đề ra nhưng vẫn cố giữ lại càngnhiều các đặc tính điện càng tốt

Hình 2.6 Anten nơ, mô hình tấm tam giác, mô phỏng dây của anten biconical

Các phép xấp xỉ hình học của anten đơn cực hình nón hoặc anten biconical dạng

vỏ hoặc rắn là antan tấm tam giác và anten hình nơ, được chế tạo từ tấm kim loại Cácloại anten này cũng có thể được mô phỏng bằng một dây dọc theo chu vi bề mặt của nó,giúp giảm đáng kể trọng lượng và sức cản của gió trong cấu trúc này Điều này đã đượcthực hiện bằng Phương pháp Moment.Để mô phỏng tốt hơn bề mặt của anten biconical,anten hình nơ đa phần tử giao nhau đã được đề xuất

Anten hình nơ sử dụng một substrate mỏng linh hoạt Substrate là một loại nhựamỏng (PEN ổn định nhiệt), làm cho anten trở nên linh hoạt hơn Substrate được phủ mộtlớp nitride silicon rất mỏng, đây là lớp điện môi cổng Nhôm là vật liệu dẫn điện được

sử dụng cho mạng cấp nguồn, balun và phần tử của anten

Ưu điểm của loại anten này là cấu trúc hình học đơn giản, có đặc tính băng thôngrộng và nhiều ứng dụng khác của nó khi so với với anten tuyến tính và anten dipole in.Hơn nữa, anten hình nơ được kỳ vọng sẽ có độ định hướng cao hơn so với các antendipole thông thường do diện tích bức xạ lớn hơn Chúng cũng có ứng dụng làm giảmkích thước của anten để đạt được các tần số hoạt động thấp hơn mà không tăng diện tíchtổng thể

Thường thì anten hình nơ có thể hoạt động ở các dải tần số từ VHF đến UHF, baogồm cả dải tần số FM radio (88 MHz đến 108 MHz), dải tần số truyền hình UHF (400MHz đến 700 MHz), và các dải tần số khác trong khoảng từ vài chục MHz đến vài GHz.Hiện nay, anten hình nơ có một vài ứng dụng trong các hệ thống không dây như:

• Công nghệ điện thoại di động: Trong các thiết bị điện thoại di động và modem

không dây, anten hình nơ có thể được tích hợp để truyền và nhận tín hiệu trong cácdải tần số UHF và thậm chí là các dải tần số Wi-Fi (2.4 GHz và 5 GHz)

• Hệ thống Wi-Fi và Bluetooth: Anten hình nơ cũng được sử dụng trong các thiết bị

Wi-Fi và Bluetooth để truyền và nhận dữ liệu trong các mạng không dây gia đình

và doanh nghiệp

• Công nghệ IoT (Internet of Things): Trong các hệ thống IoT, anten hình nơ có thể

được sử dụng trong các thiết bị như cảm biến không dây, máy đo thông minh, hoặcthiết bị giám sát để truyền dữ liệu trong các mạng cảm biến không dây

Hình 2.7 Anten hình nơ trong thực tế

dB Khi được giới thiệu lần đầu bởi Gibson, nó sử dụng như một phần tử đơn, một băngthông trở kháng từ dưới 2 GHz đến trên 40 GHz với hệ số tăng ích 10 dB và thùy phụ-20 dB.

Hình 2.9 Anten Vivaldi trong thực tế

Anten Vivaldi hoạt động ở tần số từ dưới 2 GHz đến trên 40 GHz nên được ứngdụng trong các hệ thống anten quét điện tử hoạt động rộng băng thông, bao gồm cả trongcác mảng anten Anten này có khả năng cung cấp băng thông rộng, hiệu suất cao, và độtập trung tăng theo chiều dài anten, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hiệusuất và băng thông lớn như trong viễn thông không dây và radar

2.3.4 Dipole hình trụ

Dipole hình trụ cũng là một loại anten đơn giản khác có các đặc tính bức xạ phụthuộc vào tần số, là một dây có đường kính và chiều dài hữu hạn minh họa như tronghình 2.10 Các dipole dày được coi là băng rộng trong khi các dipole mỏng thì coi làbăng hẹp Anten này có thể được coi là một dạng đặc biệt của anten biconical khi α =

0◦ Các phân tích về dòng điện, trở kháng, mẫu bức xạ và các đặc tính bức xạ khác cóthể được triển khai bằng phương pháp Moment

Hình 2.10 Cấu hình của anten hình trụ

Anten hình trụ được thiết kế để hoạt động trên một phạm vi rất rộng các tần số, từvài chục MHz đến hàng chục GHz, và ứng dụng cụ thể của nó sẽ quyết định dải tần số

mà nó được tối ưu hóa để hoạt động

Một vài ứng dụng hiện nay của anten hình trụ:

• Hệ Thống Truyền Thông Vô Tuyến: Anten dipole hình trụ được sử dụng rộng

rãi trong các hệ thống truyền thông vô tuyến như các trạm phát sóng FM, AM, vàtruyền hình Dải tần VHF (30 MHz đến 300 MHz) và UHF (300 MHz đến 3 GHz)

• Hệ Thống Radar: Anten hình trụ được sử dụng trong các hệ thống radar để phát