Thiết kế mô phỏng anten xoắn cộng hưởng ở tần số 300mhz

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN Tìm hiểu lý thuyết anten, phân tích sâu vào anten xoắn nguyên lý hoạt động Tiến hành đặt vấn đề, đưa toán phân tích, thiết kế mô anten xoắn Tính toán thông số, tiến hình thiết kế anten mô anten xoắn Đưa kết mô phỏng, biểu đồ, đồ thị nhận xét, so sánh với yêu cầu toán Kết luận đồ án LỜI CẢM ƠN Để nghiên cứu hoàn thành đề tài này, em nhận giúp đỡ, hỗ trợ từ nhiều phía Em xin chân thành cảm ơn: - Các thầy cô giảng dạy, cấp kiến thức trình học tập để em thực đề tài - Giảng viên hướng dẫn TRẦN TUẤN VIỆT nhiệt tình hướng dẫn em suốt qua trình thực đề tài - Gia đình bạn bè ủng hộ giúp đỡ em suốt trình thực đề tài LỜI CAM ĐOAN Ngày với phát triển khoa học kĩ thuật, nhu cầu liên lạc trao đổi thông tin trở nên vô cần thiết Truyền dẫn vô tuyến lĩnh vực quan tâm nghiên cứu, phát triển khả truyền khoảng cách xa vượt qua rào cản địa hình Trong anten xoắn loại anten có nhiều ưu điểm sử dụng rộng rãi Vì em chọn đề tài: “Thiết kế mô anten xoắn cộng hưởng tần số 300Mhz ” làm đề tài tốt nghiệp Trong trình thực đề tài, nhiều thiếu sót kiến thức hạn chế những nội dung trình bày báo cáo hiểu biết thành em đạt giúp đỡ giảng viên hướng dẫn thầy Trần Tuấn Việt Em xin cam đoan rằng: Những nội dụng trình bày báo cáo đồ án tốt nghiệp chép từ công trình có trước đó, riêng nội dung trích dẫn từ nguồn tài liệu tham khảo thích đầy đủ, rõ ràng Nếu không thật, em xin chịu trách nhệm trước nhà trường MỤC LỤC NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 10 1.1 Giới thiệu anten 10 1.2 Các tham số anten 12 1.2.1 Sự xạ sóng điện từ 12 1.2.2 Giản đồ xạ 13 1.2.3 Mật độ công suất xạ 17 1.2.4 Cường độ công suất xạ 18 1.2.5 Hệ số định hướng 1.2.6 Hệ số tăng ích 19 19 1.2.7 Phân cực 20 1.2.8 Băng thông 22 1.2.9 Trở kháng vào 22 1.2.10 Phối hợp trở kháng 1.3 Anten xoắn 23 28 1.3.1 Anten xoắn trụ 28 1.3.2 Anten xoắn phẳng 35 1.3.3 Anten xoắn chóp 39 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN THIẾT KẾ ANTEN 43 2.1 Đặt vấn đề 43 2.1.1 Bài toán 43 2.1.2 Mục đích thiết kế anten xoắn cộng hưởng 300Mhz 43 2.1.3 Các tham số cần tính toán để thiết kế mô anten xoắn43 2.1.4 Các thông số thu sau trình mô 2.1.5 Ưu, nhược điểm anten cần thiết kế 2.2 Giải vấn đề 44 2.2.1 Chu vi vòng xoắn 45 2.2.2 Góc xoắn 46 2.2.3 Số vòng xoắn 46 2.2.4 Khoảng cách vòng dây 46 2.2.5 Đường kính dây 46 2.2.6 Đường kính mặt chắn 46 2.2.7 Phối hợp trở kháng 46 2.2.8 Các thông số khác anten 2.2.9 Phần mềm mô 47 47 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 51 3.1 Chạy mô với HFSS 51 3.2 Xem kết mô 54 3.3 Các thao tác mô 57 3.3.1 Khởi tạo Project 57 3.3.2 Vẽ vòng xoắn 57 3.3.3 Vẽ cáp đồng trục 58 3.3.4 Vẽ mặt phẳng đất 59 3.3.5 Tiếp điện cho anten 60 3.3.6 Tạo không gian xạ 61 3.3.7 Thiết lập tần số hoạt động cho anten 63 3.3.8 Hình ảnh sau thiết kế: 3.4 Kết mô 64 64 44 43 3.4.1 Hệ số tổn hao phản xạ Return Loss 64 3.4.2 Hệ số sóng đứng 65 3.4.3 Đồ thị Smith 66 3.4.4 Đồ thị xạ 66 3.4.5 Giản đồ xạ 67 3.4.6 Phân bố dòng 3.5 Nhận xét 68 68 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 72 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Anten thiết bị truyền sóng [1] 10 Hình 1.2 trình tương đương Thevenin cho hệ thông anten hình 1.1 [1] Hình 1.3 Các trường xạ khu xa [1] 11 13 Hình 1.4 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1] 14 Hình 1.5 Giản đồ xạ vô hướng anten [1] 15 Hình 1.6 Giản đồ xạ mặt phẳng E mặt phẳng H cho anten loa [1] 15 Hình 1.7 Các búp sóng không gian chiều [1] 16 Hình 1.8 Các búp sóng mặt phẳng chiều [1] 17 Hình 1.9 Phân cực anten [1] 20 Hình 1.10 Sơ đồ phối hợp trở kháng [1] 23 Hình 1.11 Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung [1] Hình 1.12 Phối hợp trở kháng đoạn dây nhánh [1] 24 24 Hình 1.13 Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh song song [1] Hình 1.14 Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng đoạn dây [1] 26 27 Hình 1.15 Phối hợp trở kháng đoạn dây có chiều dài [1] 27 Hình 1.16 Sơ đồ phối hợp trở kháng hai đoạn dây mắc nối tiếp [1] Hình 1.17 Anten xoắn trụ [1] 28 Hình 1.18 Chế độ xạ ngang [1] 30 Hình 1.19 Chế độ xạ trục [1] 31 Hình 1.20 Ba chế độ hoạt động anten xoắn [1] 32 Hình 1.21 Trường xạ anten xoắn trường hợp tổng quát [1] 32 Hình 1.22 Anten xoắn phẳng logarit [1] 35 Hình 1.23 Đồ thị phương hướng anten xoắn phẳng logarit [1] 37 Hình 1.24 Anten xoắn phẳng Acsimet [1]38 Hình 1.25 Đường cong đặc tính phân cực [1] 39 27 Hình 1.26 Anten xoắn chóp thường anten xoắn trụ [1] Hình 1.27 Anten xoắn chóp logarit [1] 41 Hình 2.1 Giao diện chương trình HFSS Hình 2.2 Cửa sổ quản lý dự án 40 48 49 Hình 2.3 Cửa sổ thuộc tính 49 Hình 3.1 Bảng thông số tạo môi trường xạ xa hình cầu Hình 3.2 Thiết lập dải tần số mô 53 Hình 3.3 Khai báo vùng tần số khảo sát 54 Hình 3.4 Sự hội tụ lời giải HFSS Hình 3.5 Tạo báo cáo kết 55 55 Hình 3.6 Bảng nhập số liệu để vẽ đồ thị 56 Hình 3.7 Giao diện project HFSS 57 Hình 3.8 Đơn vị thông số anten 57 Hình 3.9 Các thông số vòng xoắn 58 Hình 3.10 Thông số lõi cáp đồng trục 58 Hình 3.11 Thông số vỏ cáp đồng trục 59 Hình 3.12 Thông số mặt phẳng đất 59 Hình 3.13 Thông số mặt cắt Hình 3.14 Tùy chọn cắt 60 60 Hình 3.15 Trở kháng thành phần tiếp điện 61 Hình 3.16 Kích thước không gian xạ 61 Hình 3.17 Giới hạn vùng xạ 62 Hình 3.19 Anten sau thiết kế HFSS Hình 3.20 Đồ thị Return Loss 64 Hình 3.21 Đồ thị sóng đứng 65 Hình 3.22 Đồ thị Smith 66 Hình 3.23 Đồ thị xạ 2D 66 Hình 3.24 Đồ thị xạ 3D 67 64 52 Hình 3.25 Giản đồ xạ anten 67 Hình 3.26 Phân bố dòng diện anten 68 LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển xã hội ngày nhanh, nhu cầu trao đổi thông tin người ngày cao trở nên quan trọng Những rào cản mặt địa lý khiến cách liên lạc hữu tuyến trở nên khó khăn chi phí cao Bằng cách sử dụng hệ thống thu, phát vô tuyến phần đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin người khoảng cách xa cách nhanh chóng xác Anten phần thiếu hệ thống truyền thông sử dụng Các công nghệ truyền thông không dây ngày phát triển, theo loại anten ngày phát triển, nâng cấp để phù hợp với yêu cầu đề Trong anten xoắn anten phát minh sớm ứng dụng rộng rãi Anten xoắn hoạt động chế độ xạ ngang sử dụng phổ biến lĩnh vực radio, truyền hình, di động vệ tinh với ưu điểm kích thước vật lý nhỏ, xạ đa hướng dễ dàng tích hợp Cùng với tần số vố tuyến quy hoạch quản lý cách chặt chẽ để sử dụng hệ thống truyền dẫn vô tuyến Băng tần VHF (Very high frequency) với dải tần vô tuyến nằm khoảng 30Mhz – 300Mhz, sử dụng từ kỉ 20 có nhiều đặc tính lý tưởng liên lạc mặt đất khoảng cách gần VHF bị ảnh hưởng tạp dải tần thấp bị ảnh hưởng bở vật cản lớn tần số lớn Đồ án tập trung nghiên cứu thiết kế anten xoắn cộng hưởng tần số 300 Mhz thuộc băng tần VHF, hoạt động chế độ xạ ngang với kỹ thuật tiếp điện cáp đồng trục Sau dùng phần mềm HFSS để làm rõ đặc điểm đặc tính xạ, băng thông, trở kháng… anten Nội dung đồ án gồm chương:  Chương : Lý thuyết anten  Chương : Phân tích toán thiết kế anten 10 Hình 3.14 Tùy chọn cắt 3.3.5 Tiếp điện cho anten Nhấn chuột phải chọn Select Faces Chọn mặt phẳng lõi cáp đồng trục Nhấn chuột phải vào mặt phẳng tiếp điện Assign Exitation Wave Port… Từ phần Excitations coax_pin_T1 Chọn giá trị trở kháng cho cáp 50 77 Hình 3.15 Trở kháng thành phần tiếp điện 3.3.6 Tạo không gian xạ Vẽ khối hộp : Draw =>box => chọn vật liệu air Nhập thông số cho không gian xạ 78 Hình 3.16 Kích thước không gian xạ 79 Sau vẽ không gian xạ: Chuột phải vào khung =>Select Face=> chọn mặt khối không gian xạ Kích phải khối=>Assign Boundary =>Radiotion Giới hạn vùng xạ: Chọn HFSS=>Radiation =>insertFar Field Setup =>infinite Sphere Trong tab Infinite Sphere nhập thông số: Hình 3.17 Giới hạn vùng xạ 80 3.3.7 Thiết lập tần số hoạt động cho anten Chọn HFSS => Analys Setup => chọn Add Solution Setup => xuất bảng: Ta điều chỉnh thông số hình vẽ: Hình 3.18 Thiết lập tần số hoạt động anten 81 3.3.8 Hình ảnh sau thiết kế: Hình 3.19 Anten sau thiết kế HFSS 3.4 Kết mô 3.4.1 Hệ số tổn hao phản xạ Return Loss 82 Hình 3.20 Đồ thị Return Loss Dựa vào đồ thị cho thấy suy hao anten lớn Anten cộng hưởng tần số 300,7538 Mhz sai số mô lý thuyết nhỏ Băng thông hoạt động xét điểm có độ suy giảm -10dB là: 292,9 Mhz 308 Mhz (khoảng tần số anten xạ với công suất lớn nhất), anten có băng thông hẹp 3.4.2 Hệ số sóng đứng 83 Hình 3.21 Đồ thị sóng đứng Dựa vào hình vẽ thấy anten cộng hưởng điểm có tần số 300Mhz giá trị hệ số sóng đứng tần số cộng hưởng 1,5 nằm khoảng tối ưu từ 1,5 ÷ 2,0 (khi click chuột vào điểm cộng hưởng đồ thị tọa độ điểm trục hoành tần số cộng hưởng, trục tung hệ số sóng đứng Ở trục hoành 300Mhz trục tung 1.5) Tại giá trị VSWR 1,5, khoảng 4% công suất tới đầu cuối anten bị phản xạ lại 3.4.3 Đồ thị Smith 84 Hình 3.22 Đồ thị Smith Dựa vào đồ thị cho thấy giá trị trở kháng phức anten ứng với dải tần số thiết lập mô từ 225Mhz – 450Mhz Trong giá trị trở kháng tần số cộng hưởng 300Mhz 1,0626 – 0,0714j 3.4.4 Đồ thị xạ 85 Hình 3.23 Đồ thị xạ 2D Hình 3.24 Đồ thị xạ 3D Dựa vào đồ thị cho thấy độ lợi tính theo dB theo hướng xạ cực đại đạt 4.706 dB 3.4.5 Giản đồ xạ 86 Hình 3.25 Giản đồ xạ anten Đồ thị cho thấy anten có hướng xạ cực đại nằm khoảng Anten có hai thùy phụ góc - 3.4.6 Phân bố dòng 87 Hình 3.26 Phân bố dòng diện anten 3.5 Nhận xét Sau trình thiết kế mô anten ta rút nhận xét sau: Tần số cộng hưởng anten với yêu cầu toán, sai số nhỏ Độ lợi anten theo hướng xạ cực đại 4,706dB thấp so với tính toán 11,4dB, độ lợi thấp vị trí tiếp điện chưa tối ưu Hướng xạ anten phù hợp với yêu cầu xạ đa hướng Ưu điểm anten có xạ đa hướng phù hợp với nhu cầu truyền dẫn vùng có bán kính lớn theo hướng đài phát thanh, đài tuyền hình… Kích thước anten nhỏ gọn dẽ dàng tích hợp thiết bị có tính di động cao đàm, radio… Phạm vi truyền dẫn tới vài chục km thiết bị radio cá nhân, thiết bị liên lạc hàng hải Nhược điểm anten băng thông thấp thấp dẫn đến khả trao đổi liệu Sự tiêu hao lượng lớn dẫn đến khoảng cách truyền không xa chế độ xạ trục Khi cộng hưởng tần số 300Mhz anten có trở kháng vào 140 Việc cộng hưởng tần số 300Mhz có ưu điểm bị ảnh hưởng tạp âm khí nhiễu từ thiết bị điện Cộng hưởng tần số 300Mhz bị ảnh hưởng tòa nhà vật vật thể lớn nhỏ đáng kể so với tần số cao nên nhận nhà khu đô thị lớn Tuy nhiên, nhược điểm cộng hưởng tần số 140 khoảng cách truyền dẫn bị hạn chế khu vực định tầng trở kháng điện li không phản xạ lại tần số Thêm vào tần số 300Mhz dễ bị chặn tính chất mặt đất đồi, núi… Việc xuyên qua tầng điện ly mang đến ưu điểm khả truyền dẫn vệ tinh 88 KẾT LUẬN Trong thời gian thực hiện, đề tài sâu phân tích cấu tạo nguyên lý hoạt động ba loại anten xoắn Trong tập trung vào anten xoắn trụ hoạt động chế độ xạ ngang với tần số cộng hưởng 300Mhz Qua đề tài rút kết sau: - Tìm hiểu ưu nhược điểm anten xoắn, anten xoắn cộng hưởng tần số 300Mhz ứng dụng hệ thống truyền dẫn vô tuyến - Sử dụng chương trình HFSS để thiết kế anten cách xác, hiệu tiết kiệm thời gian việc khảo sát thông số anten Anten xoắn sử dụng rộng rãi thiết bị thông tin di động giá thành thấp kích thước nhỏ gọn nhiều hạn chế Việc thiết kế anten đề tài chưa tính toán tối ưu để đạt tiêu chất lượng cao Trong thời đại phát triển công nghệ thông tin đòi hỏi phải có nghiên cứu sâu rộng để tìm thiết kế phù hợp với yêu cầu ngày cao công nghệ truyền dẫn Hướng phát triển đề tài tập trung vào điều thiết yếu sau: - Tiếp tục nghiên cứu dạng anten xoắn để đưa thiết kế có hiệu cao phù hợp với mục đích khác - Nghiên cứu ứng dụng anten xoắn hoạt động chế độ trục truyền dẫn thông tin vệ tinh 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật Anten, NXB KHKT,2007 [2] Nguyễn Viết Minh, Truyền sóng anten, Học viện CN BCVT,2005 [3] Thomas A Milligan, Modern Antenna Design, 2nd Edittion, 2002 [4] Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, 2006 90 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 91 [...]... khác giữa hai tần số (tần số trên và tần số dưới ) so với tần số trung tâm (1.25) [1] Bởi vì các đặc tính của anten như trở kháng vào,giản đồ,hệ số tăng ích,phân cực…của anten không biến đổi giống nhau theo tần số nên có nhiều định nghĩa băng thông khác nhau.Tùy các ứng dụng cụ thể,yêu cầu về các đặc tính của anten 25 được chọn như thế nào cho phù hợp 1.2.9 Trở kháng vào Trở kháng vào của anten có thể... thông Băng thông của anten là khoảng tần số mà trong đó hiệu suất của anten thỏa mãn một tiêu chuẩn nhất định Băng thông có thể là khoảng tần số, về hai bên của tần số trung tâm (thường là tần số cộng hưởng) , ở đó các đặc tính của anten (như trở kháng vào, độ rộng búp sóng, hướng búp sóng, giản đồ , phân cực, cấp thùy bên,…) đạt giá trị có thể chấp nhận được Với các anten dải hẹp,băng thông được thể hiện... bằng trở kháng của anten tại điểm đầu vào của nó hay tỉ số điện áp trên dòng điện hay tỉ số giữa điện trường và từ trường tương ứng tại cùng một điểm Ở đây, ta chỉ quan tâm đến trở kháng tại đầu vào của anten Tỉ số điện áp trên dòng điện ,trong trường hợp không có tải, xác định trở kháng của anten: (1.26) [1] Với là trở kháng đầu vào của anten () là điện trở của anten tại các đầu vào () là kháng trở đầu... là kháng trở đầu vào của anten () Nói chung thành phần điện trở trên bao gồm 2 thành phần: (1.27) [1] là trở kháng bức xạ (radiation resistance) của anten (Ω) là trở kháng suy hao (loss resistance) cua anten (Ω) Trở kháng vào của anten nói chung là một hàm của tần số Do đó anten chỉ phối hợp tốt với đường tiếp điện ở trong cùng một dải tần nào đó Hơn nữa, trở kháng vào của anten còn phụ thuộc vào nhiều... Chương 3 : Mô phỏng anten xoắn CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN 1.1 Giới thiệu về anten Anten là thiết bị dùng để bức xạ (anten phát) hoặc hấp thụ sóng điện từ (anten thu) từ không gian bên ngoài Nói cách khác anten là cấu trúc chuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (Guiding device), như thể hiện trong hình 1.1 Thông thường giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thu... hệ thống anten trong hình 1.1 làm việc ở chế độ phát được thể hiện ở hình 1.2, trong đó nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lý tưởng, đường truyền dẫn thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc trưng , và anten được thể hiện bởi , trong đó =( Trở kháng tải thể hiện sự mất mát do điện môi và vật dẫn (conduction and dielectric loss), hai thành phần mất mát này luôn gắn với cấu trúc anten Trở kháng được... chính 1.2.6 Hệ số tăng ích Một đơn vị khác dùng để mô tả đặc tính hướng tính của anten là hệ số tăng ích (G) Hệ số tăng ích có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị để tính toán 22 hiệu suất của anten cũng như đặc tính hướng tính của nó Trong khi đó hệ số định hướng chỉ xác định được đặc tính hướng tính của anten Hệ số tăng ích của anten là tỉ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten theo hướng... 1.3 Anten xoắn 1.3.1 Anten xoắn trụ Kết cấu anten xoắn trụ gồm một đường dây xoắn dẫn điện và một màn chắn kim loại Thông thường anten được tiếp điện bởi fide đồng trục, lõi của fide được nối với đường dây xoắn, còn vỏ của fide nối với mặt kim loại Mặt chắn kim loại vừa có tác dụng ngăn dòng điện chạy ra mặt ngoài fide, vừa có tác dụng của mặt phản xạ, làm giảm bức xạ ngược của anten Các thông số hình... hình học đặc trưng cho anten xoắn trụ:  Số vòng xoắn n  Bán kính dây dẫn a  Đường kính vòng xoắn D  Khoảng cách giữa các vòng S  Góc xoắn α  Chu vi vòng xoắn C  Độ dài vòng xoắn  Độ dài trục L 33 Hình 1.17 Anten xoắn trụ [1] Các công trình nghiên cứu về đường dây xoắn đã cho biết rằng, trong trường hợp tổng quát, trên đường dây xoắn trụ có thể đồng thời tồn tại một số dạng sóng dòng điện... đưa trong hơn 50 năm phát triển của anten nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn về thông tin liên lạc 1.2 Các tham số cơ bản của anten Phần này trình bày một số khái niệm và các quan hệ cơ bản về anten như: sự bức xạ hướng sóng, trường bức xạ và giản đồ trường bức xạ, độ định hướng, tần số cộng hưởng 1.2.1 Sự bức xạ sóng điện từ Khi năng lượng từ nguồn được truyền tới anten, hai trường được tạo ra Một ... tính lý tưởng liên lạc mặt đất khoảng cách gần VHF bị ảnh hưởng tạp dải tần thấp bị ảnh hưởng bở vật cản lớn tần số lớn Đồ án tập trung nghiên cứu thiết kế anten xoắn cộng hưởng tần số 300 Mhz... thông Băng thông anten khoảng tần số mà hiệu suất anten thỏa mãn tiêu chuẩn định Băng thông khoảng tần số, hai bên tần số trung tâm (thường tần số cộng hưởng) , đặc tính anten (như trở kháng vào,... 35 1.3.3 Anten xoắn chóp 39 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN THIẾT KẾ ANTEN 43 2.1 Đặt vấn đề 43 2.1.1 Bài toán 43 2.1.2 Mục đích thiết kế anten xoắn cộng hưởng 300Mhz 43 2.1.3 Các tham số cần tính