Khảo sát tính bức xạ của anten xoắn có ký sinh đặt trong mặt phản xạ góc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN CÔNG BÌNH KHẢO SÁT TÍNH BỨC XẠ CỦA ANTEN XOẮN CÓ KÝ SINH ĐẶT TRONG MẶT PHẢN XẠ GÓC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ MÃ SỐ NGÀNH: 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2003 Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Trường Đại Học Bách Khoa Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghóa Việt Nam Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên : Trần Công Bình Phái : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 17/9/1974 Nơi sinh : Nghệ An Chuyên ngành : Kỹ thuật Vô tuyến – Điện tử Mã số : 2.07.01 I TÊN ĐỀ TÀI : Khảo sát tính xạ anten xoắn có ký sinh đặt mặt phản xạ góc II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : - Nghiên cứu tìm hiểu phương trình tích phân áp dụng cho anten dây - Tìm hiểu phương pháp Moment - Nghiên cứu anten xoắn Archimede - p dụng phương pháp Moment vào phương trình tích phân Nakano để xây dựng phương pháp phân tích cho anten xoắn có ký sinh trường hợp khác - Xây dựng chương trình mô - Đánh giá phân tích kết có để chọn mô hình tối ưu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/12/2002 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 10/06/2003 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : - ThS Trần Văn Sư - GS TS Nguyễn Kim Sách CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sỹ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH tháng năm 2003 KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Sư thầy Nguyễn Kim Sách tận tình giúp đỡ hướng dẫn em hoàn thành luận án Em xin chân thành cảm ơn thầy cô tận tình dạy dỗ em năm học vừa qua, đặc biệt thầy cô môn Điện Tử – Viễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM Xin chân thành cảm ơn tất người thân, bạn bè có giúp đỡ động viên q báu suốt thời gian thực luận án TÓM TẮT Phương pháp phương trình tích phân đưa phương pháp giải cho toán anten dạng đẳng thức tích phân ẩn số, thường mật độ dòng cảm ứng, phần hàm dấu tích phân Phương pháp moment, phương pháp số, dùng để giải tìm nghiệm Một mật độ dòng xác định trường xạ thông số hệ thống khác tìm ta từ đẳng thức tích phân xạ Phương pháp áp dụng tiện lợi cho anten dây Trong luận văn này, phương pháp moment sử dụng để giải phương trình tích phân Nakano cho anten xoắn Archimede có ký sinh đặt phản xạ góc ABSTRACT The Integral Equation method casts the solution to the antenna problem in form of an integral where the unknown usualy the induced current density, is part of the integrand Moment Method, one of the numerical techniques, are used to solve for the unknown Once the current density is found, the radiation integrals are used to find the fields radiated and other system parameters This method is most convenient for wire-type antennas In this thesis, Moment Method is used to solve Nakano’s integral equation for an Archimedean spiral antenna with a parasitic element in the corner reflector MUÏC LUÏC Chương I : Giới thiệu Giới thiệu lịch sử phân tích anten dùng phương trình tích phân Giới thiệu đề tài Chương II: Lý thuyết sở anten I.Trường xạ dòng điện dòng từ không gian tự II.Đặc tính phân cực III.Các thông số đặc trưng anten 10 Chương III: Các phương trình tích phân cho anten dây lý thuyết phản xạ anten I.Các phương trình tích phân cho anten dây 16 1.Phương trình tích phân Pocklington 16 2.Phương trình tích phân Hallen 18 3.Phương trình tích phân Mei 19 4.Phương trình tích Nakano 23 II.Lý thuyết phản xạ 27 1.Bộ phản xạ phaúng 27 2.Bộ phản xạ góc 30 Chương IV: Phương pháp Moment I.Phương pháp Moment 34 1.Noäi dung phương pháp 34 2.Ứng dụng 39 II.Phương pháp tích phân số Chương V: Anten xoắn Archimede có ký sinh phương pháp thực phân tích I.Anten xoắn Archimede 49 II.Anten xoắn có ký sinh 52 III.Anten xoaén Archimede có ký sinh đặt mặt phản xạ góc 900 55 Chương VI: Kết phân tích I.Phân tích anten xoắn Archimede có ký sinh xạ cô lập 58 II Phân tích anten xoắn có ký sinh đặt mặt phản xạ phẳng 76 III.Phân tích anten xoắn có ký sinh đặt mặt phản xạ góc 900 80 Chương VII: Kết luận I.Kết luận 130 II.Hướng phát triển 131 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU GIỚI THIỆU VỀ LỊCH SỬ PHÂN TÍCH ANTEN DÙNG PHƯƠNG TRÌNH TÍCH PHÂN Cơ sở để phân tích anten xác định phân bố dòng anten Từ ta xác định đặc tính xạ anten Có thể xác định thực nghiệm lý thuyết Nghiên cứu qua thực nghiệm hiệu máy đo không gây nhiễu đáng kể lên trường điện từ gần anten Vì phù hợp với anten hoạt động tần số thấp Nghiên cứu lý thuyết giới hạn thực nghiệm Ngoài không cần thiết bị đo phức tạp Nghiên cứu lý thuyết sớm anten dây Pocklington Hallen thực Vào năm 1938, Hallen dẫn đẳng thức tích phân cho anten dipole xác định phân bố dòng dọc theo dây dẫn anten Năm 1947 Kraus phát minh anten xoắn helical đo phân bố dòng Còn phương pháp tính toán phân bố dòng cho anten dây cong bắt đầu vào năm 1960 Đây kết phát triển máy tính số, cho phép tính toán ma trận lớn Mei Harrington người tiên phong kỹ thuật tính toán sở tính toán ma trận Năm 1965 Mei thành công việc dẫn phương trình tích phân cho anten dây có dạng tuỳ ý đưa kết tính toán phân bố dòng anten xoắn Năm 1967 phát triển kỹ thuật tính toán gọi phương pháp moment Một năm sau Field Computation by Moments Method ông cho xuất Quyển sách xem cột mốc cho nghiên cứu trường điện từ Công việc Mei Harrington lôi nhiều nhà nghiên cứu nhiều kết tính toán phân tích anten công bố Năm 1974 Richmond đưa cách tính cho anten gồm nhiều đoạn dây thẳng chương trình máy tính xác định dòng anten.Trong năm Tsukiji phân tích dạng anten tương tự Theo sau Kominami, Egashira, Taguchi Nakano dẫn phương trình tích phân mục đích giảm thời gian tính toán phân tích anten đơn giản hệ anten phức tạp Đến nay, không riêng anten dây, phương trình tích phân xây dựng cho nhiều loại anten phức tạp khác, ví dụ anten vi dãi GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI Các phương tiện xe, tàu, máy bay ngày thường sử dụng dịch vụ vô tuyến hệ thống viễn thông, hệ thống định vị dịch vụ truyền thông số tương tự Để tránh sử dụng nhiều anten khác cho nhiều dịch vụ khác nhau, anten băng rộng sử dụng Anten xoắn cho thấy đặc tính độc lập với tần số kích thước tương đối nhỏ thích hợp cho loại ứng dụng Ngoài anten xoắn có kích thước gọn nhẹ, bền thẩm mỹ Trong năm gần yêu thích loại anten tăng lên Anten xoắn Archimede dây (Archimedean Spiral Antenna - SA) dạng anten ứng dụng dòng sóng chạy, gọi anten phân cực tròn băng rộng mà loại khác không Nhận thấy không tồn lý thuyết xác giải thích đặc tính hoạt động anten này, nhiều tác giả báo cáo qua vài ví dụ phân tích Ngoài họ dẫn việc sử dụng loại nhánh cho thấy có nhiều sơ đồ xạ có cách cấp nguồn có quan hệ pha thích hợp Trong kiểu tất nhánh cấp nguồn với biên độ Đối với anten xoắn Archimede sử dụng phần tử ký sinh, có vài báo cáo loại anten Và thấy xạ phân cực thẳng nhận cách đặt phía trước SA phần tử ký sinh có cấu trúc tương tự Trong thực nghiệm Kaiser, phần tử ký sinh đặt theo hướng trục Trái lại quan điểm tránh tăng thể tích cấu trúc, nghiên cứu cấu trúc mà phần tử ký sinh đặt bề mặt với phần tử tích cực Người ta thấy qua thực nghiệm trường xạ thay đổi từ phân cực thẳng sang phân cực tròn tần số thay đổi Trong phạm vi đề tài nghiên cứu mở rộng với anten đặt mặt phản xạ góc 900, nhằm sử dụng ưu điểm phản xạ góc xem xét ảnh hưởng lên đặc tính xạ anten CHƯƠNG II LÝ THUYẾT CƠ SỞ VỀ ANTEN Trần Công Bình XJ(j)=XX(m,j); YJ(j)=YY(m,j); ZJ(j)=ZZ(m,j); end dim=ddim(m); branch(0); end Zt3=Zt; %1/4 thu tu cua ma tran Zt=zeros(stt-1,stt-1); for m=2:2:8, for j=1:stt, XJ(j)=XX(m,j); YJ(j)=YY(m,j); ZJ(j)=ZZ(m,j); end dim=ddim(m); if m==2 branch(1); else branch(0); end end Zt4=Zt; eps=1/(4*pi*9e+9); muy=4*pi*1e-7; V=zeros(2*stt,1); Ze1=zeros(stt,2*stt); for m=1:(stt-1), for k=1:(stt-1), Ze1(m,k)=Zt1(m,k); end Ze1(m,stt)=cos(pi*(D(m)+D(m+1))); for k=(stt+1):(2*stt-1), Ze1(m,k)=Zt2(m,k-stt); end Ze1(m,2*stt)=0; V(m)=-1i*sqrt(eps/muy)*sin(pi*(D(m)+D(m+1)))/2; end Ze1(stt,stt-1)=2+(D(stt-1)-D(stt-2))/(D(stt)-D(stt-1)); Ze1(stt,stt-2)=-1; Ze2=zeros(stt,2*stt); for m=1:(stt-1), for k=1:(stt-1), Ze2(m,k)=Zt3(m,k); end Ze2(m,stt)=0; for k=(stt+1):(2*stt-1), Ze2(m,k)=Zt4(m,k-stt); end Ze2(m,2*stt)=cos(pi*(D(m)+D(m+1))); end Ze2(stt,2*stt-1)=2+(D(stt-1)-D(stt-2))/(D(stt)-D(stt-1)); Ze2(stt,2*stt-2)=-1; Ze=[Ze1' Ze2']'; Trần Công Bình 140 I1=inv(Ze)*V; I11=zeros(stt-1,1); I12=zeros(stt-1,1); for k=1:(stt-1), I11(k)=I1(k); end for k=(stt+1):(2*stt-1), I12(k-stt)=I1(k); end I01=I11(1)+ (I11(1)-I11(2))*(D(2)-D(1))/(D(3)-D(1)); I02=I12(1)+ (I12(1)-I12(2))*(D(2)-D(1))/(D(3)-D(1)); Zin=1/I01 I0=I01; It=zeros(stt,1); It2=zeros(stt,1); It=[I01' I11']'; It2=[I02' I12']'; z(1)=0; for m=1:(stt-1), z(m+1)=(D(m)+D(m+1))/2;%+D(m) end figure; plot(z,abs(It),'-k'); hold on; plot(z,imag(It),':k'); plot(z,real(It),'-.k'); hold off; figure; plot(z,abs(It2),'-k'); hold on; plot(z,imag(It2),':k'); plot(z,real(It2),'-.k'); hold off; save( [s1 'It_' s2],'It'); save( [s1 'It2_' s2],'It2'); st_time en_time=datestr(now) Chương trình xác định phân bố dòng cho anten xoắn có ký sinh đặt phản xạ góc 900: function para_con(); %xoan co ky sinh mat phan xa goc global X; global Y; global Z; global D; global XJ; global YJ; global ZJ; global Zt; global I; global J; global a; global kk; global stt; global dim; st_time=datestr(now);%19 phut Traàn Công Bình 141 %b=0.764e-3; b=1.5e-3; c=3e8; f=3.4e9; s1='C:\MATLABR11\work\parcon1\'; s2='34l1c3.mat'; lamda=c/f; b=b/lamda; a=0.3e-3/lamda; dp=pi/100; p1(1)=0; k=1; x1=0; y1=0; z1=0.5*f/3.4e9; X0(1)=0; Y0(1)=0; Z0(1)=z1; D(1)=0; %for j=2:length(p), pp=dp; r1=2e-3/lamda; tg=0; %0.22/lamda tl=0.2246/lamda; while D(k)4*a*(1+tg) & k>1)|(l>r1 & k==1) p1(k+1)=pp; x1=b*p1(k+1)*cos(p1(k+1)); y1=b*p1(k+1)*sin(p1(k+1)); X0(k+1)=x1; Y0(k+1)=y1; Z0(k+1)=z1; D(k+1)=D(k)+sqrt((x1-X0(k)).^2+(y1-Y0(k)).^2); k=k+1; if tl-D(k)