Nghiên cứu, thiết kế chế độ tạo ăng ten cố định hướng và hiệu suất cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Hà Thị Hiền Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo anten có định hướng hiệu suất cao LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Lâm Hồng Thạch 2014B Hà Nội – Năm 2017 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CẢM ƠN iv LỜI CAM ĐOAN v DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi DANH MỤC BẢNG ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x LỜI NÓI ĐẦU ABSTRACT TÓM TẮT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu 1.2 Một số kết nghiên cứu truyền lượng không dây giới nước năm gần 1.2.1 Một số kết nghiên cứu truyền lượng không dây giới 1.2.2 Một số kết nghiên cứu truyền lượng không dây nước 1.3 Giới thiệu phương pháp truyền lượng không dây 1.3.1 Truyền lượng phương pháp cảm ứng điện từ 1.3.2 Phương pháp truyền lượng không dây sử dụng chùm tia viba chùm tia la de 10 1.3.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền lượng không dây sử dụng chùm tia viba 11 1.4 Hiệu suất truyền sóng vi ba Vai trò ăng ten 11 1.5 Kết luận 13 i Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĂNG TEN VÀ ĂNG TEN LOA 15 2.1 Một số thông số kỹ thuật ăng ten 15 2.1.1 Miền xạ ăng ten (Field Regions) 15 2.1.2 Búp sóng (Lobe) 16 2.1.3 Độ rộng búp sóng (Beam Width) 17 2.1.4 Cường độ xạ (Radiation Intensity) 17 2.1.5 Độ định hướng (Directivity) 18 2.1.6 Độ lợi (Gain) 18 2.1.7 Hiệu suất ăng ten 18 2.2 Ăng ten LOA (Horn Ăng tenna) 19 2.2.1 Định nghĩa 19 2.2.2 Phân loại 19 2.2.3 Đặc điểm ăng ten loa H 21 2.2.4 Đặc điểm ăng ten loa E 26 2.2.5 Đặc điểm ăng ten loa chóp 29 2.3 Kết luận 31 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG ĂNG TEN LOA 32 3.1 Thiết kế, tính tốn kích thước ăng ten loa (horn) 32 3.2 Kết thiết kế, tính tốn kích thước ăng ten loa hình chóp 34 3.2.1 Phần thân loa 35 3.2.2 Phần hộp cộng hưởng 37 3.3 Kết mơ ăng ten loa hình chóp 39 3.3.1 Giới thiệu phần mềm mô CST (Computer Simulation Technology) 39 3.3.2 Q trình mơ ăng ten loa phần mềm CST MICROWAVE STUDIO 41 3.3.3 Một số kết thu sau mô ăng ten loa 45 ii Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A 3.4 Kết luận 52 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 53 4.1 Lựa chọn vật liệu để gia công ăng ten loa 53 4.1.1 Hợp kim nhôm [20] 53 4.1.2 Hợp kim đồng [21] 54 4.1.3 Lựa chọn vật liệu gia công ăng ten 55 4.2 Chế tạo ăng ten loa 55 4.2.1 Kết đo S11, VSWR, trở kháng đầu vào ăng ten 57 4.2.2 Đo độ tăng ích (Gain) ăng ten 59 4.3 Xây dựng hệ truyền công suất không dây sử dụng ăng ten loa làm ăng ten thu 61 4.3.1 Khối thiết bị phát 62 4.3.2 Khối thiết bị thu 66 4.3.3 Tiến hành đo đạc thử nghiệm 67 4.4 Kết luận 68 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69 Kết luận chung 69 Hướng phát ăng ten hệ truyền công suất không dây 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 iii Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ hỗ trợ chuyên mơn thực phòng Vật liệu Linh kiện lượng hướng dẫn mặt định hướng khoa học, phương pháp luận GS.TSKH Đào Khắc An giảng viên TS Lâm Hồng Thạch Luận văn thạc sỹ thực khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu, mơ tốn truyền lượng không dây chế tạo thử nghiệm hệ thiết bị truyền lượng chùm tia viba công suất cao”- mã số VT/CB-03/13-15, thuộc chương trình Khoa học Công nghệ vũ trụ giai đoạn 2012-2016 - chủ nhiệm đề tài: GS.TSKH Đào Khắc An Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy cố vấn khoa học GS.TSKH Đào Khắc An-Viện Khoa học Vật liệu TS Lâm Hồng Thạch - giảng viên viện Điện tử Viễn thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, người trực tiếp định hướng cho thực đề tài, hướng dẫn, giúp đỡ bảo nhiều mặt để tơi hồn thành tốt luận văn thạc sỹ Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn tới KS Hồng Huy Nam cán thuộc phòng thí nghiệm cục Tác chiến điện tử, ThS Nguyễn Chung Đơng thuộc phòng Vật liệu Linh kiện lượng, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ tận tình mặt chế tạo, đo đạc hiệu chỉnh thơng số ăng ten để có kết tốt luận văn thạc sỹ Cuối muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới tồn thể gia đình tơi ni dưỡng tạo điều kiện cho ngày hôm nay, cảm ơn người bên ủng hộ Một lần xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên cao học iv Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, thực sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế hướng dẫn GS.TSKH Đào Khắc An, Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, TS Lâm Hồng Thạch, Viện Điện tử - Viễn Thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết quả, kết luận tham khảo trích dẫn nguồn đẩy đủ Một lần xin khẳng định trung thực lời cam kết Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận văn Hà Thị Hiền v Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 Ảnh chụp thí nghiệm với cuộn ăng ten cộng hưởng thắp sáng bóng điện Hình Truyền điện khơng dây trường gần nhờ cảm ứng điện từ Hình Hiện tượng cộng hưởng cảm ứng 10 Hình Sơ đồ hệ thống truyền lượng không dây sử dụng chùm tia vi ba 10 Hình Sơ đồ khối hệ thống truyền lượng không dây sử dụng chùm tia vi ba 11 Hình Hiệu suất chùm tia sử dụng thông số τ 13 Hình Vùng xạ ăng ten 15 Hình 2 Búp sóng ăng ten 16 Hình Độ rộng chùm nửa công suất 17 Hình Một số hình vẽ ăng ten loa 20 Hình Một số vẽ ăng ten loa thực tế 20 Hình Hình cắt theo mặt H (x-z) ăng ten loa hình quạt mặt H 21 Hình Dạng mặt E H ăng ten loa hình quạt mặt H 24 Hình Các đường cong độ định hướng phổ biến ăng ten loa mặt H 25 Hình Mặt cắt mặt E (y-z) ăng ten loa hình quạt mặt E 26 Hình 10 Dạng mặt E H ăng ten loa hình quạt mặt E 28 Hình 11 Họ đường cong độ định hướng phổ biến ăng ten loa hình quạt mặt E 29 Hình Các hình chiếu ăng ten loa hình chóp 33 Hình Chương trình tính tốn kích thước ăng ten loa dạng chóp 35 Hình 3 Các kích thước ăng ten loa tính tốn 38 Hình Phần hộp cộng hưởng loa 39 Hình Sơ đồ bước tiến hành mô ăng ten sử dụng phần mềm CST 40 Hình Giao diện phần mềm mô CST 2013 41 vi Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A Hình Hình ảnh ăng ten loa mô phần mềm 42 Hình Hình ảnh 3D ăng ten loa 42 Hình Kích thước hình chiếu cạnh ăng ten loa 43 Hình 10 Kích thước hình chiếu ăng ten loa 43 Hình 11 Các kích thước phần hộp cộng hưởng ăng ten loa 44 Hình 12 Vị trí đầu dò cộng hưởng ăng ten loa 44 Hình 13 Các thơng số kích thước đầu dò ăng ten loa 44 Hình 14 Hệ số suy hao phản xạ S11 ăng ten loa 45 Hình 15 Hệ số tỉ lệ sóng đứng điện áp (VSWR) ăng ten loa 46 Hình 16 Trường xạ trường điện (E-Field) 46 Hình 17 Trường xạ trường từ (F-Field) 47 Hình 18 Dòng điện mặt (Surface current) 48 Hình 19 Đồ thị phương hướng xạ dạng 3D ăng ten loa 49 Hình 20 Đồ thị phương hướng xạ dạng polar (các mặt xạ E H) 49 Hình 21 So sánh mặt xạ E H ăng ten loa 50 Hình 22 Đồ thị phương hướng xạ dạng Cartersian 50 Hình Cấu trúc mặt trước (phải) mặt sau ăng ten (trái) hoạt động tần số trung tâm 2,45 Ghz 56 Hình Bộ hiệu chuẩn model 3653 56 Hình Máy phân tích mạng vector VNA 37377D 57 Hình 4: Sơ đồ đo hệ số phản xạ S11, VSWR, trở kháng đầu vào ăng ten 58 Hình Kết đo độ suy hao phản xạ S11 58 Hình Kết đo trở kháng trở đầu vào ăng ten 59 Hình Sơ đồ đo độ tăng ích ăng ten 60 Hình Kết so sánh mô thực nghiệm độ suy hao phản xạ S11 61 vii Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A Hình Máy phát công suất vi ba Hãng Sairem với công suất phát cực đại 200W 63 Hình 10 Ăng ten Grid Parabol phòng thí nghiệm 64 Hình 11 779D Directional coupler 65 Hình 12 Máy đo cơng suất Bird sensor cơng suất Cu -1678/URM-167 66 Hình 13 Ăng ten loa tự chế tạo phần 66 Hình 14 Mạch chỉnh lưu nhân đơi điện áp sử dụng khối thiết bị thu 67 Hình 15 Hệ truyền cơng suất khơng dây trời sử dụng ăng ten loa làm ăng ten thu 68 viii Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A DANH MỤC BẢNG Bảng Các thông số ban đầu để thiết kế ăng ten loa 35 Bảng Bảng kết tính tốn kích thước ăng ten loa dạng chóp 36 Bảng 3 Bảng thơng số mơ ăng ten loa 51 Bảng 1: Bảng so sánh kết mô thực nghiệm thông số ăng ten61 Bảng Bảng thông số kỹ thuật máy phát cơng suất tự chế tạo 62 Bảng 4 Bảng thông số kỹ thuật ăng ten Grid Parabol 64 ix Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A - Máy phát sóng chuẩn SMR-20 - Ăng ten phát ăng ten loa HL040 - Thiết bị phân tích mạng véc tơ VNA 37377D đo đặc tính biên độ pha mạng cực bao gồm thiết bị thụ động, vị dụ cáp, lọc, ăng ten…, khuếch đại tạp âm thấp VNA 37377D thực chức cách so sánh tín hiệu phát từ máy phân tích với tín hiệu truyền qua thiết bị kiểm tra tín hiệu phản xạ từ đầu vào Hình Máy phân tích mạng vector VNA 37377D - Máy phân tích phổ E-4407B 4.2.1 Kết đo S11, VSWR, trở kháng đầu vào ăng ten Các phép đo độ suy hao phản xạ S11, hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp VSWR, trở kháng đầu vào ăng ten: 57 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A Sơ đồ đo thông số độ suy hao phản xạ S11, hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp VSWR, trở kháng đầu vào ăng ten mô tả Hình 4 ăng ten nối trực tiếp đến máy phân tích mạng (Network Analyzer VNA 37377D) thơng qua cáp đồng trục Hình 4: Sơ đồ đo hệ số phản xạ S11, VSWR, trở kháng đầu vào ăng ten Hình Kết đo độ suy hao phản xạ S11 58 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A Hình Kết đo trở kháng trở đầu vào ăng ten Trở kháng đầu vào ăng ten là: Zin=42,802-j5,057 Ω Trở kháng đầu vào thực tế gần 50 Ω nên ta thấy ăng ten phối hợp trở kháng tốt, độ tổn hao phản xạ giảm 4.2.2 Đo độ tăng ích (Gain) ăng ten 59 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A Hình Sơ đồ đo độ tăng ích ăng ten Tiến hành đo (phép đo thực Trung tâm 80, Cục Tác chiến điện tử): - Đo công suất tín hiệu thu ăng ten mẫu 3115; - Đo cơng suất tín hiệu ăng ten cần kiểm tra; - Quay ăng ten thu ăng ten phát theo ,  phân cực để nhận mức tín ' hiệu lớn Đọc cơng suất P thu từ ăng ten 3115 công suất P thu (dBm) từ ăng ten cần kiểm tra; - ' Xác định hệ số khuếch đại ăng ten theo công thức: G = G3115 + ( P - P ), đơn vị dBi với G3115 hệ số khuếch đại ăng ten mẫu 3115 Thực phép đo ăng ten lưỡng cực vi dải chế tạo ta kết ' quả: P = -18,2 dBm, P = - 29,5 dBm Biết G3115 = 7,3 dBi, Ta tính độ tăng ích ăng ten lưỡng cực vi dải là: G = 7,3 + (-18,2 +29,5) = 18,6 dBi Tổng hợp kết quả, ta số liệu Bảng Hình 4.8 Theo số liệu từ Bảng 1, ta thấy thông số chế tạo thực nghiệm tốt so với thông số ăng ten trình mơ ăng ten loa với thơng số thực nghiệm hoàn toàn đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật ăng ten 60 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A ứng dụng làm ăng ten thu rectenna hệ truyền công suất không dây với tần số hoạt động trung tâm 2,45 Ghz Bảng 1: Bảng so sánh kết mô thực nghiệm thông số ăng ten Kết mô S11 VSWR -24,62 dB 1,124 Kết thực nghiệm Độ tăng ích S11 VSWR -20,478 dB 1,21 (Gain) 20,28 dBi Độ tăng ích (Gain) 18,6 dBi Hình Kết so sánh mô thực nghiệm độ suy hao phản xạ S11 4.3 Xây dựng hệ truyền công suất không dây sử dụng ăng ten loa làm ăng ten thu 61 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A 4.3.1 Khối thiết bị phát a Máy phát cơng suất vi ba Trong q trình thí nghiệm truyền thu cơng suất vi ba khơng dây, tác giả cộng sử dụng hai loại máy phát vi ba với thơng số đây:  Máy phát công suất vi ba tự chế tạo công suất phát 20W thông số kỹ thật cho bảng 4.3 Bảng Bảng thông số kỹ thuật máy phát cơng suất tự chế tạo STT Tên thông số Đặc trưng kỹ thuật Tên thiết bị Máy phát công suất vi ba Ký hiệu VT/CB-03/13-15 Hiệu điện nguồn 220V±5%, 1pha Công suất phát 0,15W - 20W (Max 20W, sai số < 5% ) Cách thức điều Liên tục, thay đổi tín hiệu vào khuếch đại điều chỉnh công suất chỉnh chiết áp Tần số 2,45 GHz ± 100 MHz (Fix) Đầu công suất vi ba Đầu nối loại N (Female), Cáp đồng trục 50Ω Công suất tiêu thụ Phát 20W tiêu thụ công suất 121VA Trọng lượng 8,1 Kg 10 Kích thước 36 cm x 44 cm x 12,5 cm 11 Tản nhiệt Khơng khí 12 Độ rò rỉ Bức xạ dò < 50 nW 62 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A 13 Sản phẩm thử nghiệm Phòng Vật liệu Linh kiện lượng, Viện Khoa học Vật liệu (Sản phẩm thuộc đề tài mã số VT/CB03/13-15)  Máy phát công suất vi ba nhập từ Pháp (Hãng Sairem) Hình Máy phát công suất vi ba Hãng Sairem với công suất phát cực đại 200W STT Tên thông số Đặc trưng kỹ thuật Tên thiết bị Máy phát công suất vi ba Xuất sứ Hãng Sairem (Pháp) Hiệu điện nguồn 220V±5%, 1pha Công suất phát 1W – 200W (sai số ± 2%) Cách thức điều chỉnh công suất Tần số Điều chỉnh nấc, nấc tăng giảm 1W 2,43 – 2,47 GHz, điều chỉnh bước với 100 kHz/1 bước 63 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A Đầu công suất vi ba Đầu nối loại N (Female), Cáp đồng trục 50Ω Công suất tiêu thụ Phát 200W tiêu thụ công suất 670VA Trọng lượng 11,9 Kg Ăng ten phát sử dụng hệ truyền công suất không dây ăng ten grid parabol với thông số kỹ thuật đây: Hình 10 Ăng ten Grid Parabol phòng thí nghiệm Bảng Bảng thơng số kỹ thuật ăng ten Grid Parabol Tần số 2,4 – 2,5 GHz Gain 27 dBi Phân cực Đứng Độ rộng chùm tia theo phương ngang 6,50 Độ rộng chùm tia theo phương thẳng 80 đứng 64 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A Trở kháng 50 Ω Công suất đầu vào cực đại 100 W VSWR