Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích thông số anten

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI TRẦN HẠNH LOAN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN PHÂN TÍCH THƠNG SỐ ANTEN Chun ngành: Kỹ Thuật Điện Tử LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ TIẾN THƯỜNG Cán chấm nhận xét 1: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG Cán chấm nhận xét 2: TH.S HỒ TRUNG MỸ Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 15 tháng 03 năm 2010 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS LÊ TIẾN THƯỜNG TS PHAN HỒNG PHƯƠNG TS ĐỖ HỒNG TUẤN TH.S HỒ TRUNG MỸ TS NGUYỄN MINH HOÀNG TS LƯU THANH TRÀ Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc Tp.HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: BÙI TRẦN HẠNH LOAN Phái: nữ Ngày tháng năm sinh: 14/08/1981 Nơi sinh: Vĩnh Long Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử MSHV: 01407345 I- TÊN ĐỀ TÀI + Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích thông số anten II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nhiệm vụ: + Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích thơng số anten (các dạng xạ, trở kháng ngỏ vào, tổn hao ngược,…) + Minh hoạ khả phương pháp phần tử hữu hạn phân tích thơng số anten thơng qua việc mô vài anten cụ thể + So sánh, đánh giá kết phương pháp phần tử hữu hạn so với đo đạc thực tế so với phương pháp số khác Nội dung: + Nghiên cứu, xây dựng cơng thức giải tìm trường điện trường từ bao quanh anten phương pháp phần tử hữu hạn theo hai cách: miền tần số miền thời gian + Mô phân tích thơng số vài anten cụ thể để minh họa khả phương pháp phần tử hữu hạn + So sánh, đánh giá kết mô với kết đo đạc thực tế tổ chức khoa học công nhận với phương pháp số khác III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/06/2009 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/12/2009 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ TIẾN THƯỜNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn: − Gia đình − PGS TS Lê Tiến Thường, cán hướng dẫn khoa học − Phòng Đào Tạo Sau Đại Học − Thầy Cô Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM − Thầy Cơ Trường Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thông − Anh chị đồng nghiệp Công ty SPT − Các bạn Đại Học Cao học K2007, K2008 động viên, hỗ trợ giúp đỡ hồn thành Luận văn tốt nghiệp này! TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Mục đích việc phân tích anten tìm thơng số trở kháng ngỏ vào, dạng xạ, hệ số phản xạ, tỉ số sóng đứng điện áp, định hướng, độ lợi anten… Nếu ta giải phương trình sóng vector để tìm trường điện trường từ bao quanh anten thơng số dễ dàng tìm Việc giải phương trình sóng vector phương pháp giải tích thực số trường hợp anten lý tưởng độ phức tạp cơng thức tính toán Trong thực tế, phần lớn người ta phải sử dụng đến phương pháp số chẳng hạn phương pháp phần tử hữu hạn để tìm lời giải xấp xỉ Để hiểu rõ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích thơng số anten, Luận văn thực nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải phương trình sóng vector Bên cạnh đó, luận văn nghiên cứu phân tích khía cạnh quan trọng ứng dụng phương pháp phân tích thơng số anten nhằm giúp cho việc phân tích xác hiệu Cụ thể phương pháp chia cắt miền tính tốn vơ hạn thành miền hữu hạn, phương pháp mơ hình cấp nguồn (feed) anten để phân tích thơng số xạ phương pháp phân tích đặc tính tán xạ Cuối Luận văn thực mô số học hai toán anten để minh họa khả ứng dụng phương pháp phân tích, tính tốn thông số anten Và so sánh, đánh giá độ xác, hiệu phương pháp so với thực tế so với phương pháp số khác Các kết mô gửi đến Tạp Chí Phát Triển Khoa Học Cơng Nghệ - ĐHQG HCM để xem xét, đánh giá./ MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề tình hình nghiên cứu 1.2 Mục đích, phạm vi nghiên cứu .2 1.3 Bố cục Luận Văn CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI PHƯƠNG TRÌNH SĨNG VECTOR THEO FEM .5 2.1 Phương pháp giải theo FEM miền tần số .5 2.2 Phương pháp giải theo FEM miền thời gian 12 2.3 Mơ hình vật liệu phức tạp 16 2.3.1 Mơ hình vật liệu có tổn hao điện từ .16 2.3.2 Mơ hình vật liệu tán xạ điện 18 2.3.3 Mơ hình vật liệu tán xạ từ 23 2.3.4 Mơ hình vật liệu tổn hao, tán xạ điện từ 28 2.3.5 Ví dụ minh họa ứng dụng FEM phân tích tốn điện từ 30 2.4 Cách giải phương trình phần tử hữu hạn 32 2.5 Các phần tử hữu hạn cong bậc cao 34 2.6 Kết luận 36 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP CẮT MIỀN TÍNH TỐN 39 3.1 Điều kiện biên hấp thu (ABC - Absorbing Boundary Condition) 39 3.1.1 Điều kiện biên hấp thu bậc 39 3.1.2 Điều kiện biên hấp thu bậc hai .40 3.2 Các lớp phối hợp hoàn hảo (PML) 46 3.3 Phương trình tích phân mặt 49 3.3.1 Công thức miền tần số 50 3.3.2 Công thức miền thời gian .57 3.4 Kết luận 64 CHƯƠNG MƠ HÌNH NGUỒN VÀ TÍNH TỐN THAM SỐ TÁN XẠ 65 4.1 Mơ hình nguồn anten .65 4.1.1 Đầu dò dòng điện (Current probe) 66 4.1.2 Bộ tạo chọc thủng điện áp (voltage gap generator) .68 4.1.3 Mơ hình feed waveguide 69 4.2 Sự kích thích mặt phẳng sóng 77 4.2.1 Xây dựng công thức trường tổng 77 4.2.2 Xây dựng công thức trường tán xạ .80 4.2.3 Phương pháp phân tích trường tổng trường tán xạ 81 4.3 Kết luận 84 CHƯƠNG CÁC MÔ PHỎNG SỐ HỌC 86 5.1 Giới thiệu phần mềm Ansoft HFSS .86 5.2 Mô 1: Anten patch vi dải 89 5.3 Mô 2: Anten bow-tie 94 5.4 Kết luận 100 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 101 6.1 Tổng kết vấn đề nghiên cứu .101 6.2 Kết đạt nghiên cứu mô 101 6.3 Các tồn tại, hạn chế Luận Văn .102 6.4 Hướng phát triển, mở rộng đề tài .102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 106 CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Diễn giải ABC Absorbing Boundary Condition AIM Adaptive Integral Method ALPS Adaptive Lanczos-Pade Sweep BICGStab Biconjugate Gradient Squared CFIE Combined Field Integral Equation CFS Complex Frequency Shifted CPW Coplanar Waveguide EFIE Electric Field Integral Equation FDTD Finite Difference Time Domain FE-BI Finite Element – Boundary Integral FEM Finite Element Method FETD Finite Element Time Domain FMM Fast Multipole Method GMRES Generalized Minimal Residual HFSS High Frequency Structure Simulator MFIE Magnetic Field Integral Equation ... đến phương pháp số chẳng hạn phương pháp phần tử hữu hạn để tìm lời giải xấp xỉ Để hiểu rõ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích thơng số anten, Luận văn thực nghiên cứu ứng dụng phương. .. Các phương pháp số học phát triển để phân tích array anten tuần hồn vơ hạn hữu hạn sử dụng công thức phần tử hữu hạn miền thời gian Để hiểu rõ ứng dụng, khả phương pháp phần tử hữu hạn phân tích, ... Điện Tử MSHV: 01407345 I- TÊN ĐỀ TÀI + Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích thơng số anten II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nhiệm vụ: + Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích