BÀI TẬP LỚN ANTEN TRUYỀN SÓNG ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TS.LÂM HỒNG THẠCH

Tóm tắt lý thuyết TRUYỀN SÓNG MẶT ĐẤT, bài tập mẫu (anten mảng, sóng truyển thẳng, thông tin vệ tính), thực hành thiết kế mô phỏng anten dipole GSM 900MHz với HFSS (các bước chi tiết, thông số cụ thể, phân tích đồ thị)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN ANTEN TRUYỀN SÓNG Giảng viên hướng dẫn: TS Lâm Hồng Thạch Mã lớp: 119009 Nhóm thực hiện: Hà Nội, 2020 MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG I LÝ THUYẾT: TRUYỀN SÓNG MẶT ĐẤT Phương thức truyền sóng .3 Truyền sóng tầm nhìn thẳng 3 Truyền sóng mặt đất: Anten đặt cao () 4 Truyền sóng mặt đất: Anten đặt thấp () CHƯƠNG II BÀI TẬP .6 Khảo sát anten mảng N phần tử Bài tập phần Truyền sóng Bài tập tham khảo CHƯƠNG III THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN 10 Bài toán 10 Phân tích 10 Mô với HFSS 10 Phân tích kết 22 CHƯƠNG I LÝ THUYẾT: TRUYỀN SĨNG MẶT ĐẤT Mặt đất vốn khơng phẳng, nhiên nghiên cứu với cự ly truyền sóng khơng dài ta coi phẳng Thông số điện mặt đất thay đổi theo độ sâu khoảng cách truyền lan (trong nghiên cứu lấy thơng số điện tương đương) Phương thức truyền sóng  Sóng truyền khắp mặt đất, song song với mặt đất: sử dụng sóng cực dài, sóng dài phần sóng trung (do mặt phẳng đất coi dẫn điện lý tưởng nên khơng hấp thụ sóng)  Truyền sóng tầm nhìn thẳng: áp dụng với sóng cực ngắn (vì bước sóng nhỏ nên tính nhiễu xa yếu, khó bị lệch) Truyền sóng tầm nhìn thẳng Miền Fresnel miền không gian quan trọng truyền sóng vơ tuyến, tồn lượng nằm miền Fresnel thứ Do đó, đường truyền có tồn vật cản, chiều cao vật cản không vượt 0,6 lần bán kính miền Fresnel thứ Tức Trong bán kính miền Fresnel thứ nhất, tính cơng thức 3 Truyền sóng mặt đất: Anten đặt cao () - Mặt đất phẳng Tường điểm thu Eh max E1 E2 pha Dạng đơn giản (Vedenski): - Mặt đất cong Nếu trường hợp mặt đất cong ảnh hưởng đến cự li thơng tin cực đại tầm nhìn thẳng Với a=6378km bán kính trái đất Nếu mặt đất khơng lý tưởng có hấp thụ sóng truyền, áp dụng cơng thức : Với F ảnh hưởng mặt đất làm suy hao sóng lan truyền Tham khảo thêm: - Ảnh hưởng mặt đất làm lệch đường sóng: Sóng truyền theo phương pháp bề mặt qua miền đất có thơng số điện khác bị đổi hướng - Nhiễu xạ sóng quanh mặt đất cầu :quỹ đạo sóng bị uốn cong quanh vật đường truyền ( thấy rõ kích thước vật ) 4 Truyền sóng mặt đất: Anten đặt thấp () - Anten vng góc với mặt đất - Anten song song với mặt đất CHƯƠNG II BÀI TẬP Khảo sát anten mảng N phần tử Bài Khảo sát hệ thống xạ N phần tử trường hợp a, b, (đồng biên, ngược pha) (biến đổi theo quy luật sóng chạy.) Giải a, Hàm phương hướng xạ tổ hợp chuẩn hóa với Hay Ta có biểu thức cường độ trường xạ hệ thống: Hướng xạ không xác định với  Như N chẵn dễ thấy với xạ hệ thống không Hướng xạ cực tiểu cực đại đại xác định với * * �=� (m=0,1,2,…) Tại nhận thấy =0 => Bức xạ đạt cực đại, tương ứng m-2 hướng lại cực tiểu VD: N=6 Bài tập phần Truyền sóng Bài Cho đường truyền sóng trực tiếp từ A đến B có khoảng cách l=30m, tần số máy phát 2GHz Tại C có tòa nhà cao 60m, anten phát cao 70m, khoảng cách từ toàn nhà đến anten phát h=10km Hỏi chiều cao anten thu cao để nhà khơng làm ảnh hưởng đến việc truyền sóng? Giải , Bán kính miền Fresnel thứ nhất: 31,62 (m)  Sử dụng tam giác đồng dạng có  Vậy anten thu cần cao Bài tập tham khảo Bài Tuyến thông tin vệ tinh, khoảng cách quỹ đạo 35786 km, anten trạm mặt đất có G1= 40dBi, anten vệ tinh có G2=37 dBi, tần số tuyến lên từ trạm mặt đất GHz, tần số tuyến xuống từ vệ tinh 3.5 GHz a, Tính tổn hao truyền song không gian tự hai trường hợp tuyến lên tuyến xuống b, Nếu muốn công suất thu đầu đạt tối thiểu -100 dBm thu trạm mặt đất trạm vệ tinh phải phát công suất tối thiểu ? c, Coi mặt đất phẳng (R = , = ) anten phát cao 100m Tính độ cao anten thu để tín hiệu tối ưu Để tín hiệu tối ưu song giao thoa phải đạt công hưởng tức độ lệch pha : (n Giải a, Tính tổn hao truyền song khơng gian tự hai trường hợp tuyến lên tuyến xuống Tuyến lên: =6 GHz => = = 0.05 (m)  = 20 log = 20 log = -199 ( dB) Tuyến xuống: =3.5 GHz => = c /f=0.085 (m)  = 20 log = - 194,5 (dB) b, Nếu muốn công suất thu đầu đạt tối thiểu -100 dBm thu trạm mặt đất trạm vệ tinh phải phát công suất tối thiểu ? G1 = 40 dBi = 70 dBm G2= 37 dBi = 67 dBm c, Coi mặt đất phẳng (R = , = ) anten phát cao 100m Tính độ cao anten thu để tín hiệu tối ưu Để tín hiệu tối ưu song giao thoa phải đạt công hưởng tức độ lệch pha : (n  k = n.2  = n.2  = n.2  Với n = 2,3,4 => Có thể chọn h2 10m, 30m ,49m CHƯƠNG III THIẾT KẾ MƠ PHỎNG ANTEN Bài tốn Mơ anten Dipole dành cho thiết bị di động hoạt động với mạng GSM 900MHz Phân tích Bước sóng Với anten Dipole, thơng số khác dựa lambda Bán kính dipole = lambda/200 gap = lambda * 0.0125 Chiều dài lưỡng cực gần nửa bước sóng res_length = 0.475 * lambda Mỗi lưỡng cực dipole length = res_length/2 - (gap_source/2) Mô với HFSS  Tạo project HFFS cho phép định trước tham số để dễ dàng tối ưu thay đổi sau Bằng cách tìm HSFFDesign Properties 10 Height: chiều cao hình trụ, chiều cao lưỡng cực Như có lưỡng cực Giờ cần tạo xoay ngược lại Lựa chọn đối tượng dip1, chọn Edit>Duplicate>Around Axis Quay 180 độ theo trục Z OK Đổi tên đối tượng dip2  Cấp nguồn Ở tạo Lumped Gap Source Bằng cách vẽ hình chữ nhật mặt phẳng YZ 13 Ở cửa số Project tiếp tục vào Excitations>Assign>Lumped Port, Ở cửa sổ General ra, đặt tên cho port giữ nguyên thông số Next 14 Chọn New Line cửa số Modes Nhấp chuột trái để xác định điểm gốc vectơ trường E Di chuyển trỏ đến tâm cổng Nhấp chuột trái để kết thúc vectơ trường E Click Finish 15  Tạo không gian mô Không gian mô lớn thời gian lâu Đối với anten dipole, Boundary tối thiểu có dạng hình trụ bán kính 0.4*lambda, chiều cao 1.2*lambda Vật liệu AIR nhớ tăng độ suốt đối tượng 16 Kích thước: Để có kết tốt nhất, độ rộng không gian lambda/4 Xong Giờ cần phải cho phần mềm biết không gian mơ 17 Nếu khơng có, phải chuột vào cơng cụ tìm bật 3D Modeler Selection Mode Ở công cụ, chuyển sang chế độ Face để lựa chọn mặt thay cho đối tượng Click vào biểu tượng bên cạnh Ctrl chọn tất mặt bên phải, OK , chọn đối tượng boundary đó, giữ Sau chọn mặt xong, khung Project bên phải nhấp phải chuột vào Boundaries>Assign>Radiation Có thể đổi tên muốn nhấn OK 18  Chạy mô Từ khung Project bên phải nhấp phải chuột vào Analysis  Add Solution Setup Đặt thông số tương ứng với GSM 900, OK 19 Để xem đáp ứng tần số cấu trúc, phải xác định tần số quét Từ sổ Project chọn Setup1  Add Sweep 20 Điền thông số Check lại để xem có lỗi khơng 21 Nếu khơng tiến hành mô phỏng, 5-20p tùy máy tính Phân tích kết  Đồ thị S(1,1) Ở khung Project, Từ Result chọn Create Modal Solituon Data Report  Rectangular Plot 22 Nhận thấy đồ thị S(1,1) xuống 890.8 MHz cho thấy hoạt động tốt Dải tần hoạt động ổn định từ 844.7MHz 940.9Mhz 23  Hệ số sóng đứng Tương tự S(1,1) lựa chọn: Hệ số sóng đứng điện áp tần số mô đạt 1.41 tốt, khoảng 4% lượng truyền tới anten bị phản xạ lại VSWR có giá trị từ 1.1 tới 1.5 coi tuyệt vời, giá trị từ 1.5 tới 2.0 coi tốt, giá trị cao 2.0 khơng chấp nhận 24  Đồ thị Smith Giống chọn Smith Chart Thấy tần số mô phỏng, trở kháng vào Z=50*1,4217=70,70 25  Đồ thị xạ Từ khung Project chọn Radition  Insert Far Field Setup  Infinite Sphere Hồn thiện thơng số Quay lại khung Project, Creat Far Fields Report  Radition Pattern 26 Ta thấy hướng xạ cực đại nằm vng góc với trục anten, xạ giảm xuống dọc theo trục ăng ten RF mong đợi 27 ... LÝ THUYẾT: TRUYỀN SÓNG MẶT ĐẤT Phương thức truyền sóng .3 Truyền sóng tầm nhìn thẳng 3 Truyền sóng mặt đất: Anten đặt cao () 4 Truyền sóng mặt đất: Anten đặt thấp... CHƯƠNG II BÀI TẬP .6 Khảo sát anten mảng N phần tử Bài tập phần Truyền sóng Bài tập tham khảo CHƯƠNG III THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN 10 Bài toán ... vật ) 4 Truyền sóng mặt đất: Anten đặt thấp () - Anten vng góc với mặt đất - Anten song song với mặt đất CHƯƠNG II BÀI TẬP Khảo sát anten mảng N phần tử Bài Khảo sát hệ thống xạ N phần tử trường