Báo cáo học phần Anten và truyền sóng: Thiết kế anten dẫn xạ (anten Yagi) bằng phương pháp số

Báo cáo học phần Anten và truyền sóng Đại học Bách khoa Hà Nội: Thiết kế anten dẫn xạ (anten Yagi) bằng phương pháp số, sử dụng phần mềm HFSS, trình bày lí thuyết và kĩ thuật anten, lí thuyết truyền sóng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO HỌC PHẦN: ANTEN VÀ TRUYỀN SĨNG Nhóm thực hiện: Nhóm 14 (Lớp 98501 TC307) Nguyễn Minh Hiếu (20151336) – Điện tử 03 K60 (Nhóm trưởng) Nguyễn Nguyên Bách (20152039) – Điện tử 08 K60 Nguyễn Minh Đức (20151041) – Điện tử 07 K60 Ly Meng Long (20136964) – KT ĐTTT 04 K58 GVHD: TS Lâm Hồng Thạch Hà Nội, tháng 12/2017 MỤC LỤC Chương Cơ sở lí thuyết anten 1.1 Cơ sở lí thuyết 1.1.1 Vai trò, nhiệm vụ anten thông tin vô tuyến 1.1.2 Cơ sở xạ thu nhận sóng điện từ 1.1.3 Phương pháp khảo sát trường xạ nguồn xạ 10 1.2 Khảo sát trường xạ chấn tử đối xứng 13 1.2.1 Khái niệm 13 1.2.2 Khảo sát trường xạ CTĐX 13 1.2.3 Các thông số khác CTĐX 17 Chương Truyền sóng .19 2.1 Cơ sở lí thuyết 19 2.1.1 Vai trò nhiệm vụ truyền sóng .19 2.1.2 Phân chia dải sóng phương pháp truyền sóng .19 2.1.3 Cơng thức truyền sóng lí tưởng .20 2.1.4 Vùng khơng gian quan trọng truyền sóng trực tiếp (miền Fresnel) Bài tốn tìm độ cao tối thiểu anten thu .21 2.2 Ảnh hưởng tầng đối lưu truyền sóng vơ tuyến Phương pháp truyền sóng trực tiếp tầm nhìn thẳng 23 2.2.1 Đặc điểm tầng đối lưu .23 2.2.2 Hiện tượng khúc xạ khí 24 2.2.3 Ảnh hưởng khúc xạ khí truyền sóng tầm nhìn thẳng Bán kính tương đương trái đất 24 2.2.4 Hiện tượng Fading 25 2.2.5 Ảnh hưởng mưa (đặc biệt với sóng cực ngắn) 26 2.2.6 Ảnh hưởng khoảng cách truyền, suy hao không gian 26 2.2.7 Phương pháp truyền sóng trực tiếp tầm nhìn thẳng 26 Chương Kĩ thuật anten Thiết kế anten 30 3.1 Kĩ thuật anten 30 3.1.1 Các phương pháp điều khiển đồ thị phương hướng anten 30 3.1.2 Các phương pháp mở rộng dải tần làm việc anten 33 3.1.3 Các phương pháp rút ngắn kích thước anten 35 3.1.4 Phối hợp trở kháng tiếp điện cho anten .37 3.2 Thiết kế anten dẫn xạ (anten Yagi) phương pháp số 39 3.1.1 Cơ sở lí thuyết anten dẫn xạ 39 3.1.2 Thiết kế anten dẫn xạ phần mềm mô HFSS 42 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống vơ tuyến điện .7 Hình 1.2 Khảo sát trường xạ dòng điện khơng gian tự 10 Hình 1.3 Chấn tử đối xứng 13 Hình 1.4 Biến đổi đường dây song hành để nhận CTĐX .14 Hình 1.5 Khảo sát trường xạ dây dẫn thẳng có dòng điện sóng đứng 15 Hình 1.6 Độ dài hiệu dụng anten 18 Bảng 2.1 Phân chia dải sóng phương pháp truyền sóng .19 Hình 2.1 Nguồn xạ đẳng hướng đặt khơng gian tự 20 Hình 2.2 Miền Fresnel thứ 21 Hình 2.3 Khoảng hở Fresnel 22 Hình 2.4 Hiện tượng khúc xạ khí 24 Hình 2.5 Bán kính tương đương trái đất 25 Hình 2.6 Truyền sóng trực tiếp tầm nhìn thẳng .27 Hình 2.7 Khoảng cách tầm nhìn thẳng 27 Hình 2.8 Truyền sóng mặt đất hình cầu 28 Hình 3.1 Điều khiển đồ thị phương hướng phương pháp pha 31 Hình 3.2 Điều khiển đồ thị phương hướng phương pháp tần số .32 Hình 3.3 Anten dải tần siêu rộng chế tạo theo nguyên lí tự bù 33 Hình 3.4 Anten loga chu kì .34 Hình 3.5 CTĐX trước sau mắc điện kháng 35 Hình 3.6 CTĐX trước sau phủ điện mơi 36 Hình 3.7 Khuyếch đại tín hiệu anten 37 Hình 3.8 Bộ biến đổi đối xứng dùng cáp hình chữ U 38 Hình 3.9 Cấu tạo anten dẫn xạ 39 Hình 3.10 Đồ thị phương hướng cặp chấn tử chủ động thụ động d=0,1λ 41 Hình 3.11 Biểu diễn anten dẫn xạ 42 Hình 3.12 Cấu trúc anten dẫn xạ mơ HFSS 43 Hình 3.13 Đồ thị SWR anten dẫn xạ 44 Hình 3.14 Đồ thị xạ anten dẫn xạ θ=0 θ=90 44 Hình 3.15 Đồ thị xạ 3D anten dẫn xạ 45 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Phân chia dải sóng phương pháp truyền sóng .19 Chương Cơ sở lí thuyết anten 1.1 Cơ sở lí thuyết 1.1.1 Vai trò, nhiệm vụ anten thông tin vô tuyến Việc truyền lượng điện từ khơng gian thực theo cách: - Dùng hệ truyền dẫn, nghĩa hệ dẫn song điện từ đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại điện mơi,… Sóng điện từ truyền lan hệ thống phụ thuộc loại sóng điện từu ràng buộc - Bức xạ sóng khơng gian Sóng truyền dạng sóng điện từ tự Thiết bị dùng để xạ sóng điện từ thu nhận sóng từ khơng gian bên ngồi gọi anten Anten thiết bị thiếu hệ thống vơ tuyến với mục đích phát thu tín hiệu Một hệ thống vơ tuyến điện đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát, anten thu, máy phát anten phát, máy thu anten thu không nối trực tiếp với mà ghép nối với qua đường truyền lượng điện từ (fide) Máy phát tạo dao động điện cao tần, dao động điện truyền theo fide tới anten phát dạng sóng điện từ ràng buộc.Anten phát biến đổi tín hiệu cao tần từ máy phát thành sóng điện từ tự lan truyền khơng gian.Anten tiếp nhận sóng điện từ tự khơng gian biến đổi chúng thành tín hiệu điện cao tần (sóng điện từ ràng buộc) đưa đến máy thu Tuy nhiện có phần lượng tự anten thu truyền tới máy thu, phần xạ trở lại vào không gian (bức xạ thứ cấp) Anten ứng dụng hệ thống thông tin vơ tuyến, truyền thanh, truyền hình, thiện văn, điều khiển từ xa, Anten trường hợp tổng quát tổ hợp nhiều hệ thống, chủ yếu hệ thống xạ cảm thụ sóng bao gồm phần tử anten, hệ thống cung cấp tín hiệu (trong anten phát), hệ thống gia cơng tín hiệu (trong anten thu) Sơ đồ hệ thống vô tuyến điện với thiết bị anten thể hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống vơ tuyến điện Trong hệ thống vô tuyến điện, anten thiết bị đầu máy phát đầu vào máy thu sóng điện từ Tín hiệu đến anten tính tốn xử lí giúp anten xác định hướng nguồn tín hiệu, tập trung xạ theo hướng mong muốn điều chỉnh theo thay đổi mơi trường tín hiệu Anten phải đảm bảo hạn chế tối đa ảnh hưởng tượng đa đường nhiễu Trong sống dễ dàng bắt gặp nhiều hệ thống anten như: anten truyền hình mặt đất, vệ tinh, trạm BTS,… hay thiết bị cầm tay phổ biến điện thoại di động sử dụng anten Anten sử dụng với mục đích khác có u cầu khác Nhiệm vụ anten đơn giản biến đổi lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải xạ sóng theo hướng định, với yêu cầu kỹ thuật cho trước 1.1.2 Cơ sở xạ thu nhận sóng điện từ Tồn lý thuyết anten xây dựng sở phương trình điện động lực học: phương trình Maxwell Hệ phương trình Maxwell dạng vi phân: (1.1) :  : biên độ phức vecto cường độ điện trường (V/m)  : biên độ phức vecto cường độ điện trường (A/m)  = (1 - i): hệ số điện thẩm phức môi trường; : hệ số điện thẩm tuyệt đối môi trường, (F/m) ( = = F/m môi trường chân không)  : hệ số từ thẩm môi trường (H/m) ( = = H/m môi trường chân không)  : điện dẫn suất môi trường (Si/m)  : biên độ phức vecto mật độ dòng điện (A/)  : mật độ khối điện tích (C/ Cơ sở tạo sóng điện từ thể ý nghĩa vật lý hệ phương trình Maxwell sau: Phương trình (I) (II) phương trình trường điện từ, mô tả quan điện trường xoáy từ trường xoáy:  (I): Sự biến thiên điện trường theo thời gian tạo từ trường xoáy  (II): Sự biến thiện từ trường theo thời gian tạo điện trường xốy Phương trình (III) (IV) xác định mật độ nguồn điện trường từ trường:  (III): Điện trường có nguồn điểm khảo sát điện tích  (IV): Từ trường khơng có nguồn điểm khảo sát Như vậy, lần ề mặt lí luận, Maxwell thống trường lực: điện trường từ trường Hệ phương trình Maxwell sở để giải toán khảo sát xạ lan truyền sóng điện từ mơi trường khác Giả thiết không gian tồn từ tích (nghĩa tồn mật độ từ tích mật độ dòng từ , hệ phương trình Maxwell trường hợp tổng quát viết dạng: (1.2) Hệ phương trình hệ đối xứng có tính đổi lẫn Hệ phương trình khơng đổi thực phép hoán vị: ⇄; ⇄ −; ⇄; ⇄− Nguyên lí đổi lẫn cho phép ta đơn giản hóa việc giải hệ phương trình Maxwell: Nếu xác định thành phần điện trường tìm thành phần từ trường ngược lại 1.1.3 Phương pháp khảo sát trường xạ nguồn xạ Ta khảo sát trường xạ dòng điện khơng gian tự (dòng từ tương tự) Giả thiết không gian đồng vô hạn, có dòng điện phân bố thể tích hữu hạn V với mật độ khối (hình 1.2) Hình 1.2 Khảo sát trường xạ dòng điện khơng gian tự Trên hình vẽ ta có:  R: khoảng cách từ điểm khảo sát tới gốc tọa độ  r: khoảng cách từ điểm lấy tích phân (phần tử thể tích dV) tới điểm khảo sát  ρ: khoảng từ điểm lấy tích phân tới gốc tọa độ Mục đích khảo sát xác định trường ( ) điểm khảo sát Phương pháp làm: Giải hệ phương trình Maxwell Để giải hệ ta tách thành hệ, hệ với nguồn điện hệ với nguồn từ Ta cần giải hệ hệ phương pháp chậm áp dụng nguyên lí đổi lẫn suy nghiệm hệ lại Trường dòng xác định qua vector điện : =dV (1.3) 10 Khí hệ thống phân phối định pha thay đổi φ từ -kd đền kd thay đổi từ đến 180  Phương pháp tần số (hình 3.2) Hình 3.2 Điều khiển đồ thị phương hướng phương pháp tần số 29 Khi f thay đổi thay đổi, trở kháng tải trở kháng đường truyền để khơng có sóng phản xạ (phối hợp trở kháng), đường truyền có sóng sóng 3.1.2 Các phương pháp mở rộng dải tần làm việc anten Dải tần làm việc dải tần số mà phạm vi anten làm việc với thơng số không thay đổi thay đổi phạm vi cho phép Mở rộng dải tần cho phép anten làm việc với nhiều tần số khác Để mở rộng dải tần ta xét phương pháp sau:  Thiết lập anten dải tần siêu rộng theo nguyên lí tự bù Ngun lí: Nếu chế tạo kim loại vơ mỏng có độ dẫn điện vơ lớn, đặt tầm kim loại khơng gian cho phần có kim loại phần trống hồn tồn có sở để chế tạo anten dải tần siêu rộng (hình 3.3) 30 Hình 3.3 Anten dải tần siêu rộng chế tạo theo nguyên lí tự bù Anten có hệ số bao trùm dải tần: >10  Thiết lập anten dải tần siêu rộng theo nguyên lí tương tự Nguyên lí: Nếu thay đổi đồng thời tất kích thước, bước sóng làm việc anten theo hệ số tỉ lệ thơng số anten khơng đổi Xét anten loga chu kì (hình 3.4): 31 Hình 3.4 Anten loga chu kì Điều kiện: ==…====…==τ (3.2) Anten làm việc phạm vi tần số từ(ứng với ) đến (ứng với ) 3.1.3 Các phương pháp rút ngắn kích thước anten Ở bước sóng cỡ hàng chục mét anten CTĐX cồng kềnh, cần giảm kích thước anten, có phương pháp: mắc tải điện kháng đầu cuối, làm chậm vận tốc lan truyền sóng, kết hợp mạch tích cực Ta tìm hiểu phương pháp 32  Phương pháp mắc tải điện kháng đầu cuối (hình 3.5) Hình 3.5 CTĐX trước sau mắc điện kháng Sau ghép điện kháng phân bố dòng điện anten thay đổi, dẫn đến độ dài hiệu dụng thay đổi (tăng) Từ (1.26) ta có: = tăng nên anten làm việc bước sóng dài (so với anten cũ tần số) nên giảm kích thước anten  Phương pháp làm chậm vận tốc lan truyền sóng (hình 3.6) 33 Hình 3.6 CTĐX trước sau phủ điện mơi Sau phủ lớp điện mơi có ε’=k vận tốc lan truyền sóng giảm lần so với trước phủ điện môi (v=) Chiều dài anten giảm lần (l tỉ lệ với λ)  Phương pháp kết hợp mạch tích cực 34 Khi giảm kích thước anten dẫn đến tín hiệu thu giảm, cần kết hợp mạch khuyếc tăng cường độ tín hiệu (hình 3.7) Hình 3.7 Khuyếch đại tín hiệu anten 3.1.4 Phối hợp trở kháng tiếp điện cho anten Tiếp điện cho anten nối đường truyền từ máy phát đến anten phát, từ máy thu đến anten thu Khi tiếp điện cho anten cần yêu cầu phối hợp trở kháng tải đường truyền để toàn lượng đường truyền đưa tải Ngồi với anten có tính đối xứng (VD: CTĐX) cần đường truyền đối xứng (VD: dây song hành) Ta xét biến đổi đối xứng sau: 35  Bộ biến đổi đối xứng dùng cáp hình chữ U (hình 3.8) Hình 3.8 Bộ biến đổi đối xứng dùng cáp hình chữ U λ’: bước sóng dây cáp Vì khoảng cách từ c đến a b khác nửa bước sóng nên dòng a b ngược pha nhau, đầu chấn tử hình thành dòng giống dòng điện đưa tới nhành dây song hành Phương pháp có hạn chế áp dụng với dải tần hẹp  Bộ biến đổi đối xứng từ từ Đường truyền bất đối xứng sau qua biến đổi đối xứng từ từ trở thành đối xứng Phương pháp áp dụng với tần số 36 3.2 Thiết kế anten dẫn xạ (anten Yagi) phương pháp số 3.1.1 Cơ sở lí thuyết anten dẫn xạ Anten dẫn xạ thuộc lại anten nhiều chấn tử, thực tế sử dụng phổ biến dễ chế tạo, chủ yếu lĩnh vực vơ tuyến truyền hình, tuyến thơng tin chuyển tiếp đài rađa Cấu tạo anten dẫn xạ gồm: chấn tử chủ động A, chấn tử phản xạ P chấn tử dẫn xạ thụ động D gắn với đỡ kim loại (hình 3.9): Hình 3.9 Cấu tạo anten dẫn xạ Nguyên lí hoạt động anten sau: Dưới tác dụng trường xạ tạo A, P D xuất hiẹn dòng cảm ứng chấn tử xạ thứ cấp Nếu chọn độ dài P khoảng cách từ A đến P phù hợp P trở thành chấn tử phản xạ A, lượng xạ hệ A-P tăng cường chủ yếu hướng + z Tương tự chọn 37 độ dài D khoảng cách từ D đến A phù hợp D trở thành chấn tử dẫn xạ A, lượng xạ hệ A-D tập trung hướng +z Kết lượng xạ anten tập trung phía, hình thành kênh dẫn sóng dọc theo trục anten, hướng từ P đến D Như đặc điểm trường xạ anten xạ theo hướng (hướng có chấn tử dẫn xạ) Dòng điện chấn tử chủ động () dòng điện chấn tử thụ động () có quan hệ: =a (3.3) đó:  a=  φ=π+arctan()arctan() với ,,, điện trở riêng trở kháng riêng chấn tử chủ động chấn tử thụ động Bằng cách thay đổi độ dài chấn tử thụ động, thay đổi độ lớn dấu , từ thay đổi a φ Hàm phương hướng xạ tổ hợp anten là: (θ)=+1+ (3.4) đó:  θ: góc trục anten hướng điểm khảo sát  l: độ dài chấn tử Sau ta xét đồ thị phương hướng cặp chấn tử chủ động thụ động d=0,1λ(d: khoảng cách chấn tử) (hình 3.10) 38 Hình 3.10 Đồ thị phương hướng cặp chấn tử chủ động thụ động d=0,1λ Từ đồ thị ta thấy arctan()0 chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ Khi chọn độ dài chấn tử lớn độ dài cộng hưởng >0 ngược lại