Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế ăngten mạch dải

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay chúng ta đang sống trong thời kì đất nước đi lên hiện đại hoá – công nghiệp hoá. Thời kì của khoa học kĩ thuật phát triển như vũ bão, thời kì của sự giao lưu mọi mặt trong mọi lĩnh vực của các quốc gia trên thế giới với nhau vì vậy chúng ta cần tiếp cận và sử dụng thông tin có giá trị về mặt thời gian và có chất lượng. Sức cạnh tranh của các ngành công nghiệp bắt nguồn từ việc tái tạo các giá trị và sản phẩm lớn hơn, trong đó việc thông tin liên lạc đóng vai trò cốt lõi cho sự phát triển của xã hội. Hiện nay thông tin đã xuất hiện nhiều hình thức và phương tiện, song thông tin vô tuyến điện luôn giữ vai trò quan trọng. Trong đó ăngten là một thiết bị không thể thiếu đối với bất kì hệ thống thông tin vô tuyến điện nào. Ăngten là một thiết bị bức xạ sóng điện từ hoặc thu sóng điện từ từ không gian bên ngoài. Ăngten được mắc trực tiếp hoặc gián tiếp với phide mạch ra của máy phát hoặc mạch vào của máy thu. Được sử dụng vào các mục đích khác nhau như thông tin chuyển tiếp radar, vô tuyến điều khiển yêu cầu ăngten có tính định hướng cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian. Đối với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì ăngten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất). Trong những năm gần đây, ăngten mạch dải được tập trung nghiên cứu nhiều và đã đạt được nhiều thành tựu cả trong công nghệ và thực tiễn, nhất là trong lĩnh vực thông tin vô tuyến di dộng, thông tin vô tuyến mạng cục bộ WLAN ở dải siêu cao tần. Và ăngten mạch dải tỏ ra là một loại ăngten có nhiều tiện lợi và hiệu quả. Xuất phát từ yêu cầu thực tế kĩ thuật và hướng dẫn của thầy Đại tá – Tiến sĩ HOÀN ĐÌNH THUYÊN chọn đề tài đồ án: “Thiết kế ăngten mạch dải”. Mục đích nghiên cứu của đồ án là nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình tính toán ăngten mạch dải, trên cơ sở đó tính toán các đặc trưng và tham số của ăngten. Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô ở khoa Vô tuyến điện tử, đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy Đại tá – Tiến sĩ HOÀNG ĐÌNH THUYÊN em đã hoàn thành đồ án này. Qua đây em xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở khoa Vô tuyến điện tử, cảm ơn thầy Đại tá – Tiến sĩ Hoàng Đình Thuyên đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình em trong quá trình học tập tại trường và trong quá trình làm đồ án. Sau đây em xin trình bày nội dung đồ án này.

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải LỜI NÓI ĐẦU Ngày sống thời kì đất nước lên đại hố – cơng nghiệp hố Thời kì khoa học kĩ thuật phát triển vũ bão, thời kì giao lưu mặt lĩnh vực quốc gia giới với cần tiếp cận sử dụng thơng tin có giá trị mặt thời gian có chất lượng Sức cạnh tranh ngành công nghiệp bắt nguồn từ việc tái tạo giá trị sản phẩm lớn hơn, việc thơng tin liên lạc đóng vai trò cốt lõi cho phát triển xã hội Hiện thơng tin xuất nhiều hình thức phương tiện, song thông tin vô tuyến điện giữ vai trò quan trọng Trong ăngten thiết bị khơng thể thiếu hệ thống thông tin vô tuyến điện Ăngten thiết bị xạ sóng điện từ thu sóng điện từ từ khơng gian bên ngồi Ăngten mắc trực tiếp gián tiếp với phide mạch máy phát mạch vào máy thu Được sử dụng vào mục đích khác thơng tin chuyển tiếp radar, vơ tuyến điều khiển u cầu ăngten có tính định hướng cao, nghĩa sóng xạ tập trung vào góc hẹp khơng gian Đối với đài phát vô tuyến truyền hình ăngten cần xạ đồng mặt phẳng ngang (mặt đất) Trong năm gần đây, ăngten mạch dải tập trung nghiên cứu nhiều đạt nhiều thành tựu công nghệ thực tiễn, lĩnh vực thông tin vô tuyến di dộng, thông tin vô tuyến mạng cục WLAN dải siêu cao tần Và ăngten mạch dải tỏ loại ăngten có nhiều tiện lợi hiệu Xuất phát từ yêu cầu thực tế kĩ thuật hướng dẫn thầy Đại tá – Tiến sĩ HỒN ĐÌNH THUN chọn đề tài đồ án: “Thiết kế ăngten mạch dải” Mục đích nghiên cứu đồ án nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình tính tốn ăngten mạch dải, sở tính tốn đặc trưng tham số ăngten Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Được hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy khoa Vơ tuyến điện tử, đặc biệt bảo tận tình thầy Đại tá – Tiến sĩ HỒNG ĐÌNH THUYÊN em hoàn thành đồ án Qua em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Vô tuyến điện tử, cảm ơn thầy Đại tá – Tiến sĩ Hồng Đình Thun bảo hướng dẫn tận tình em trình học tập trường trình làm đồ án Sau em xin trình bày nội dung đồ án Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải PHẦN I ĐẶC TRƯNG VÀ THAM SỐ CỦA ĂNGTEN Ăngten thiết bị dùng để xạ sóng điện từ thu nhận sóng từ khơng gian bên ngồi Ăngten phận quan trọng khơng thể thiếu hệ thống vơ tuyến điện hệ thống vơ tuyến điện có sử dụng sóng điện từ Một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản gồm máy phát, máy thu, ăngten phát ăngten thu Hình mơ tả sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến chiều: Hệ thống cung cấp tín hiệu Hệ thống xạ Hệ thống gia cơng tín hiệu Ăng ten thu Ăngten phát Máy phát Hệ thống cảm thụ xạ Thiết bị điều chế a Hệ thống phát Thiết bị xử lý Máy thu b Hệ thống thu Theo hình vẽ dao động điện từ điều chế máy phát tạo truyền tới ăngten phát Ăngten phát biến đổi lượng dao động điện từ dạng sóng liên kết thành lượng sóng điện từ tự xạ vào không gian theo hướng tới máy thu Một phần lượng tới ăngten thu hệ thống thu va biến đổi thành lượng dao động điện từ xuất ăngten thu Dao động điện từ đưa tới máy thu Trên hình vẽ sau mơ tả sơ đồ khối Radar Trong trường hợp sóng điện từ phát xạ ăngten phát truyền chum tia hẹp tới mục tiêu Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Một phần lượng sóng phản xạ từ mục tiêu quay trở lại ăngten thu 4(đặt gần ăngten phát) kích thích ăngten thu dao động điện từ đưa tới lối vào máy thu Từ mơ hình ta định nghĩa sau: - Ăngten phát thiết bị dùng để biến đổi lượng dao động điện từ liên kết từ máy phát đưa tới thành lượng sóng điện từ tự phát xạ vào không gian theo quy luật xác định - Ăngten thu thiết bị dùng để thu lượng sóng điện từ tự từ khơng gian bên ngồi tới theo quy luật xác định biến đổi lượng thành lượng dao động liên kết ăngten va cung cấp cho máy thu Như ăngten phát thu có q trình biến đổi lượng Trong q trình có tổn hao nhiệt kim loại làm ăngten chất điện môi cách điện lý tưởng Ngồi ta thấy phát thu ăngten phải có tính định hướng xác định phù hợp với yêu cầu hệ thống vô tuyến Ăngten ứng dụng hệ thống thơng tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, vô tuyến điều khiển từ xa,… Mặt khác để kích thích sóng điện từ hệ thống định hướng ống dẫn sóng, hốc cộng hưởng,… người ta dùng kết cấu tương tự ăngten Ngày nay, phát triển kĩ thuật lĩnh vực radar, thông tin, điều khiển,… đòi hỏi ăngten khơng đơn làm nhiệm vụ xạ hay thu sóng điện từ mà tham gia vào q trình gia cơng tín hiệu Tất tiêu kĩ thuật ăngten chia thành nhóm phù hợp với nhiệm vụ ăngten: - Biến đổi sóng điện từ liên kết thành sóng điện từ tự phát xạ vào khơng gian ngược lại - Phát xạ có hướng hay thu có hướng sóng điện từ Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Tồn tốn xác định tiêu kĩ thuật(các tham số đặc trưng) ăngten chia làm nhóm: - Nhóm 1: gồm tốn tính trường vùng gần, việc giải toán cho phép xác định tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi ăngten như: trở vào, hiệu suất, dải tần cơng tác, cơng suất cực đại cho phép - Nhóm 2: gồm tốn tính trường vùng xa Việc giải tốn ta xác định tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính định hướng ăngten trường ăngten vùng xa như: đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực, hệ số tác dụng định hướng, công suất xạ Ta hiểu vùng xa ăngten vùng không gian bao gồm điểm cách đủ xa ăngten cho tồn sóng tự xạ từ ăngten phía vơ cực Tại vùng không tồn lượng vô công liên kết với ăngten, phần lượng định vị vùng gần ăngten Giả sử ăngten có kích thước chiều dài L, điểm cách ăngten khoảng r xem thuộc vùng xa phải thoả mãn điều kiện: 2L2 r » λ r » λ Ở đây: r _ khoảng cách đến điểm quan sát λ _ bước sóng 1.1 Đặc trưng hướng ăngten Từ lý thuyết trường ta biết: biên độ phức cường độ trường nguồn phát xạ sóng điện từ điểm tuỳ ý vùng xa viết dạng sau: Ё= IA f (θ , ϕ ) ej φ (θ , ϕ ) e-jkr r (1.1) Trong đó: r, θ, φ toạ độ điểm quan sát hệ toạ độ hình cầu: hình Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải k= 2π số sóng λ IA biên độ dòng điểm ăngten f(θ,φ).e j φ (θ,φ) = f (θ,φ) hàm phức phụ thuộc vào cấu trúc ăngten; φ (θ,φ) pha trường Hình Đặc trưng hướng ăngten Định nghĩa: Hàm f(θ,φ), tức mô đun hàm f (θ,φ) xác định phụ thuộc biên độ cường độ trường ăngten điểm nằm vùng xa cách ăngten vào hướng quan sát gọi đặc trưng hướng ăngten Biểu diễn hình học đặc trưng hướng không gian ăngten mặt cầu kín đầu mút bán kính vectơ hệ toạ độ cầu vẽ nên Bán kính vectơ có mơdun tỉ lệ với biên độ cường độ điện trường Trong thực tế thường gặp đặc trưng hướng có dạng đặc biệt như: - Đặc trưng hướng có dạng hình xuyến (hình 2.a) - Đặc trưng hướng có dạng hình kim (hình 2.b) - Đặc trưng hướng có dạng hình quạt (hình 2.c) - Đặc trưng hướng có dạng hình cosecant (hình 2.d) Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Hình Một số dạng đặc trưng hướng Trường hợp ăngten phát sóng phân cực elip biểu diễn dạng  tổng trường phân cực tuyến tính Các vectơ điện trường E θ θ  Eφ ϕ vng góc va lệch pha góc δ Do ăngten phân cực elip ta phải phân biệt đặc trưng hướng theo thành phần θ thành phần φ: fθ(θ,φ) fφ(θ,φ) Để dễ dàng so sánh tính định hướng ăngten khác nhau, người ta đưa vào khái niệm đặc trưng hướng chuẩn hố Đó tỉ số giá trị đặc trưng hướng f(θ,φ) theo hướng với giá trị cực đại fmax F(θ,φ) = f (θ , ϕ ) f max (1.2) *) Các phương pháp mô tả đặc trưng hướng: - Đặc trưng hướng không gian (biểu diễn không gian hàm f(θ,φ)) không tiện cho việc mô tả tính định hướng ăngten, người ta thường dùng phương pháp mô tả đặc trưng hướng mặt phẳng Ta gọi giao tuyến đặc trưng hướng không gian với mặt phẳng qua hướng phát xạ cực đại đặc trưng hướng phẳng (hay giản đồ hướng) Từ nói tới đặc trưng hướng ta hiểu đặc trưng hướng phẳng Người ta thường mô tả đặc trưng hướng mặt phẳng vng góc (hình 1.3) Hình 1.3 Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Hình 1.4 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải → Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại chứa vectơ E gọi mặt phẳng E → Mặt phẳng chứa phương phát xạ cực đại chứa vectơ H gọi mặt phẳng H Có thể vẽ đặc trưng hướng toạ độ cực toạ độ vng góc Đặc trưng hướng vẽ toạ độ cực cho ta thấy tính định hướng ăngten cách trực quan nhất, đặc trưng hướng toạ độ vng góc biểu diễn xác Thơng thường đặc trưng hướng có số cực đại, ta nói đặc trưng hướng có nhiều cánh sóng (hình 1.4) Cánh có hướng phát xạ cực đại với cường độ lớn gọi cánh chính, cánh lại gọi cánh phụ (hoặc cánh bến) Nếu cánh phụ có cực đại ngược chiều với cánh gọi cánh sóng sau Ngồi đặc trưng hướng theo cường độ trường, người ta dùng đặc trưng hướng tính theo cơng suất Fp(θ,φ) Hàm Fp(θ,φ) mơ tả phụ thuộc mật độ dòng cơng suất điểm cách ăngten vào hướng quan sát (hình 1.5a) Hình 1.5 Đặc trưng hướng theo decibel Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Vì mật độ dòng cơng suất tỉ lệ với bình phương cường độ điện trường nên: Fp(θ,φ) = F2(θ,φ) (1.3) Người ta biểu diễn đặc trưng hướng theo decibel (hình 1.5b) Với cách biểu diễn mức cánh phụ nhỏ đánh giá trực quan dễ hơn: Fdb(θ,φ) = 10lgFp(θ,φ) = 20lgF(θ,φ) (1.4) Người ta gọi góc mở cánh sóng theo mức nửa cơng suất (2θ 0,5) góc phương ứng với giá trị Fp(θ,φ) = 0,5 hay F = 0,707 Từ (1.4) ta có: 2θ0,5 = 2θ-3db (1.5) Ăngten có đặc trưng hướng hình xuyến ăngten vô hướng (trong mặt phẳng) thường dùng vô tuyến truyền tin, phát thanh, … Ăngten với đặc trưng hướng hình kim có tính định hướng gần mặt phẳng (mặt phẳng E mặt phẳng H) Các ăngten thường dùng đài Radar để theo dõi mục tiêu toạ độ góc Ngồi ta chúng dùng thông tin viba, vô tuyến thiên văn, … Ăngten có đặc trưng hướng hình quạt có mức độ định hướng khác mặt phẳng thường dùng để xác định toạ độ góc mục tiêu kĩ thuật Radar 1.2 Đặc trưng pha ăngten Đặc trưng pha ăngten mặt hình học tạo điểm vùng xa mà vectơ cường độ trường có giá trị pha Ta cho biểu thức pha cường độ trường (1.1) số: Ф(θ,φ) - kr(θ,φ) = const Từ ta tìm biểu thức đặc trưng pha: r(θ,φ) = φ (θ , ϕ ) − const k Giá trị const biểu thức xác định từ điều kiện: r = r (θ,φ) = (0,0) Do đó: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Ф(0,0) – kr0 = const r(θ,φ) = r0 + ∆φ (θ , ϕ ) k (1.6) Với φ (θ,φ) - φ (0,0) = Δ φ (θ,φ) Nếu biểu thức (1.6) biểu diễn mặt cầu xem ăngten nguồn phát xạ điểm Tâm mặt cầu gọi tâm phát xạ hay tâm pha Trường hợp tổng quát đặc trưng pha mặt cầu ăngten khơng có tâm pha xác định Cơ thể chứng minh ăngten dây (chẳng hạn chấn tử) có tâm pha nằm ăngten trường hợp phân bố biên độ dòng ăngten hàm chẵn điểm phân bố pha không đổi hàm lẻ so với điểm ăngten Trong trường hợp ăngten khơng có tâm pha, ta tiệm cận phần mặt phẳng pha mặt cầu Như phần ta có tâm pha Tập hợp tâm pha ứng với tất khoảng nằm miền quanh chỗ đặt ăngten Người ta thường biểu diễn hàm đặc trưng pha mặt phẳng E H Trong không gian qua hướng phát xạ 0, pha trường lại thay đổi đột ngột 1800 Vì đặc trưng pha phẳng ăngten có nhiều cánh sóng có chỗ nhảy bậc (hình 1.6 Đặc trưng pha ăngten) 1.3 Đặc trưng phân cực ăngten Trường ăngten điểm vùng xa không đặc trưng biên độ pha mà phân cực nữa, tức hướng dao động vectơ cường độ trường theo thời gian Cao Thành Trung_ĐTVT K11 10 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải đảm bảo khoảng cách từ điểm tiếp điện chung tới phần tử Việc phối hợp trở kháng thực đoạn đường truyền mạch dải có độ dài λd , có trở kháng sóng thích hợp nhờ thay đổi bề rộng đường dây dải Các đoạn đường truyền gọi biến đổi trở kháng phần tư sóng Nếu kí hiệu ZT trở kháng đặc tính đường truyền λd (bộ chuyển đổi phần tư sóng) quan hệ Z T với trở kháng Z1, Z2 đầu (trong đó, đại lượng biết đại lượng thứ đại lượng cần đạt được), tuân theo hệ thức: Z1Z2 = ZT2 (2.13) Gọi trở kháng đầu vào phần tử mạch dải hình vng R V1 (đại lượng coi biết) Trở kháng biến đổi thành 100Ω nhờ chuyển đổi phần tư sóng có trở kháng đặc tính ZT = 100 RV Tại điểm tổ hợp nhánh 100Ω có trở kháng 50Ω Trở kháng 50Ω lại chuyển đổi thành 100Ω nhờ biến đổi trở kháng phần tư sóng có trở kháng đặc tính (xác định theo 2.13), 70Ω Tổ hợp nhánh điểm cấp điện chung cho ta trở kháng 50Ω, thoả mãn điều kiện phối hợp với cáp tiếp điện đồng trục 50Ω thông dụng Hệ số tăng ích dàn ăngten mạch dải nói xác định theo công thức:  4πA   D + D2   − α       λ0  GdB = 10 log (2.14) Với: A = D1.D2 D1, D2 độ rộng độ cao hiệu dụng dàn ăngten, xác định khoảng cách tâm phần tử hàng (hay cột) λ0 độ suy giảm đơn vị dài đường truyền mạch dải, tính Cao Thành Trung_ĐTVT K11 43 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải theo dB PHẦN III THIẾT KẾ ĂNGTEN MẠCH DẢI 3.1 Bài toán thiết kế Bài toán thiết kế ăngten mạch dải chữ nhật đặt sau: Cho thông số ban đầu: - Tần số công tác trung tâm: f0 - Độ cao chất (đế điện môi): h - Hằng số điện môi chất nền: εr - Trở kháng sóng phide tiếp điện: Z0 Yêu cầu: - Xác định chiều rộng W, chiều dài L phiến kim loại - Vị trí điểm cấp điện y0, độ rộng đường cấp vi dải w1 - Tính tốn đặc trưng tham số ăngten Cao Thành Trung_ĐTVT K11 44 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải L yo W W1 Hình 3.1 Hình dạng patch 3.2 Các bước thiết kế 3.2.1 Tính tốn thơng số kích thước vị trí điểm tiếp điện  Bước 1: Tính chiều rộng patch W= c f0 εr +1 (3.1) Với: c tốc độ ánh sáng không gian tự  Tính số điện mơi hiệu dụng εeff = ε r + + ε r − 1 + 12 h  2  W − (3.2)  Tính ΔL Tính độ tăng chiều dài hiệu ứng phụ theo công thức ∆L = 0,412h (ε (ε eff eff W  + 0,3) + 0,264  h  W  − 0,258) + 0,8  h  (3.3)  Tính chiều dài patch Hình 3.2 Chiều dài thực chiều dài hiệu dụng patch Cao Thành Trung_ĐTVT K11 45 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Chiều dài thực tế patch: L= λ − 2∆L c → L = f ε − 2∆L eff (3.4) Bước sóng khơng khí: c λ0 = f Số sóng xác định bởi: 2π k0 = λ  Tính vị trí điểm cấp điện Vị trí chèn điểm cấp điện y0 (cấp điện cáp dùng đường truyền vi dải) xác định sau: theo phương pháp đường truyền dẫn, phần tử ăngten mạch dải chữ nhật mơ tả tương đương khe xạ Điện trở vào ăngten mạch dải chữ nhật tính theo cơng thức: Rin = 2( G + G ) 12 (3.5) Ở G1 độ dẫn khe G12 độ dẫn tương hỗ khe khe tính theo cơng thức:   k 0W  sin  cos θ    π   sin θdθ   G1 = ∫0  cos θ  120π     Lý tưởng khe cách (3.6) λ λ bước sóng chất điện môi Tuy nhiên thực tế khoảng cách khe nhỏ λ độ dài patch dài độ dài thực tế tạo đường viền Độ dẫn tương hỗ tính theo cơng thức: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 46 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải   k 0W  sin  cos θ    π   J k L sin θ sin θdθ   G12 = 0 ∫0  cos θ  120π     (3.7) (J0k0Lsinθ) hàm Besseli Độ dẫn tương hỗ thơng thường nhỏ nhiều so với độ dẫn riêng G1 Điện trở vào theo (3.5) lấy chuẩn khe Tuy nhiên điện trở vào thay đổi việc sử dụng vị trí cấp điện ăn sâu vào patch khoảng cách y0 hình 3.1 Điện trở có giá trị cực đại cạnh giá trị cực tiểu tâm patch Để đảm bảo phối hợp trở kháng ăngten đường truyền mạch dải trở vào vị trí điểm cấp cần phải trở kháng sóng đường truyền Z Hay: π L  2 Z0 = Rin cos  y   (3.8) Ta sử dụng trở kháng sóng 100Ω nên Z0 = 100Ω Suy ra: y0 = L arccos Z π  Rin 2   (3.9)  Tính kích cỡ đế kim loại (Lg Wg) Lg = 6h + L (3.10) Wg = 6h + W (3.11) 3.2.2 Tính tốn đặc trưng tham số ăngten mạch dải chữ nhật a) Đặc trưng hướng Từ biểu thức cường độ trường ăngten mạch dải mặt phẳng E (2.7) mặt phẳng H (2.8) ta có: Đặc trưng hướng mặt phẳng E:  k Le  sin ϕ    f(φ) = const cos (3.12) Đặc trưng hướng mặt phẳng H: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 47 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải k W  sin  cos θ   f(θ) = const sin θ  k 0W cos θ (3.13) b) Đặc trưng pha Từ biểu thức (1.6) ta thấy pha trường không phụ thuộc vào phương ăngten có đặc trưng pha mặt cầu, tâm pha nằm gốc toạ độ (tâm patch) c) Đặc trưng phân cực Trường xạ ăngten mạch dải chữ nhật mà ta thiết kế có thành phần Eφ, trường xạ ăngten mạch dải trường phân cực thẳng Phân cực tròn nhận áp dụng biện pháp tiếp điện thích hợp d) Công suất xạ Công suất xạ khe đơn:   k 0W  sin  cos θ    V0   sin θdθ   PΣ = ∫ 2η 0π  cos θ      π (3.14) Với: V0 = E0h điện biên khe η0 = µ0 = 120π (Ω) trở kháng sóng khơng gian tự ε0 µ = 4π 10 −7 (henry/m) độ từ thẩm chân không ε0 = 10 −9 (F/m) độ điện thẩm chân không 36π Công suất xạ ăngten lần công suất xạ khe đơn e) Hệ số định hướng Hệ số định hướng khe đơn:  2πW D0 =  I  λ0    Cao Thành Trung_ĐTVT K11 (3.15) 48 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Với:   k 0W  cos θ   π  sin    sin θdθ I1 = ∫    cos θ      (3.16) Hệ số định hướng khe sau: π D2 = I2  2πW   λ0    (3.17) Với   k 0W  cos θ   π π  sin    sin θ cos ( k Le sin θ sin ϕ )dθdϕ I2 = ∫ ∫    cos θ  0     (3.18) g) Độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng theo mức nửa cơng suất mặt phẳng E mặt phẳng H tính theo cơng thức: 2θ0,5E ≈ cos −1 7,03λ20 4(3L2e + h )π −1 2θ0,5H ≈ cos + k 0W (rad) (rad) (3.19) (3.20) 3.3 Ví dụ thiết kế Thiết kế ăngten mạch dải chữ nhật có thơng số sau: - Chất với số điện môi tương đối εr = 2,2 - Độ cao chất h = 0,1588 (cm) - Tần số cộng hưởng f0 = 10 (Ghz) Tính tốn thơng số kích thước: Chiều rộng patch: 3.10 −8 W= 2.10.10 −9 = 1,186 (cm) 2,2 + Hằng số điện môi hiệu dụng: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải εeff = 2,2 + + 2,2 − 1 + 12 0,1588  2  1,186  − = 1,972 Độ tăng chiều dài ΔL patch: (1,972 + 0,3)  1,186  + 0,264   0,1588  ΔL = 0,412.0,1588 = 0,081 (cm) (1,972 − 0,258)  1,186 + 0,8   0,1588  Chiều dài thực tế patch: L= 3.10 −8 2.10.10 −9 1,972 − 2.0,081 = 0,906 (cm) Bước sóng khơng khí: 3.10 −8 λ0 = = (cm) 9,7.10 −9 Theo (3.6) ta tính độ dẫn khe: G1 = 0,00157 (siemens) Theo (3.7) ta tính độ dẫn tương hỗ khe: G12 = 6,1683x10-4 (siemens) Thay vào (3.5) ta tính điện trở vào ăngten: Rin = 228,3508 (Ω) Khi điện trở vào cạnh patch 228,3508 (Ω), trở kháng thiết kế 50 (Ω), điện trở vào thay đổi việc sử dụng vị trí điểm cấp điện ăn sâu vào patch khoảng cách y 0, hình (3.1), tính theo cơng thức (3.9): vị trí điểm cấp điện y0: π L  2 50 = 228,3508 cos  y   → y0 = 0,3126 (cm) Kích cỡ đế kim loại: Lg = 6.0,1588 + 0,906 = 1,8588 (cm) Wg = 6.0,1588 + 1,186 = 2,1388 (cm) Cao Thành Trung_ĐTVT K11 50 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải Từ biểu thức (3.16) ta tính I1: I1 = 1,863 Thay vào (3.15) ta tính hệ số định hướng khe đơn: D0 = 3,312 = 5,201 (dB) Theo (3.18) ta tính I2: I2 = 3,59801 Thay vào (3.17) ta tính hệ số định hướng khe: D2 = 5,3873 = 7,314 (dB) Hình 3.3 giản đồ hướng ăngten mạch dải mặt phẳng E mặt phẳng H: Hình 3.3.Giản đồ hướng ăngten mạch dải mặt phẳng E H Hình 3.4 đặc trưng hướng ăngten mạch dải không gian chiều Cao Thành Trung_ĐTVT K11 51 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải x y z Hình 3.4.Đặc trưng hướng ăngten mạch dải không gian chiều 3.4 Mô kết patch 3.4.1 Khi chưa tối ưu a) Hình dạng: b) Hệ số phản xạ đầu vào: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 52 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải c) Trường xạ: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 53 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải 3.4.2 Khi tối ưu a) Hình dạng: b) Phân bố điện: c) Trường xạ: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 54 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải d) Hệ số phản xạ đầu vào: Cao Thành Trung_ĐTVT K11 55 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải KẾT LUẬN Trên toàn đồ án tốt nghiệp em Trong đồ án em trình bày đặc trưng tham số ăngten nói chung ăngten mạch dải nói riêng Qua xây dựng cách tính toán đặc trưng tham số ăngten mạch dải Tuy nhiên khả hạn chế nên trình thực trình bày đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy bảo đóng góp ý kiến để em hồn thành đồ án tốt giúp ích cho công việc sau em Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Vô tuyến điện tử, thầy Đại tá – Tiến sĩ HỒNG ĐÌNH THUN hướng dẫn tận tình giúp em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 12 tháng năm 2010 Sinh viên thực CAO THÀNH TRUNG Cao Thành Trung_ĐTVT K11 56 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế ăngten mạch dải MỤC LỤC Cao Thành Trung_ĐTVT K11