Báo cáo bài tập lớn anten_truyền sóng: anten Nơ

Với xu hướng công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ, trong đó có các hệ thống thông tin. Chúng ta được biết đến hệ thống thông tin 5G và tương lai không xa là 6G hay nhiều công nghệ mới khác đang được con người nghiên cứu và phát triển. Việc hiểu biết và nắm rõ quá trình truyền sóng của ăngten là không thể thiếu đối với một sinh viên viện Điện tửViễn thông. Bởi bất cứ một hệ thống thông tin vô tuyến nào cũng phải sử dụng đến ăngten để thu phát tín hiệu. Do đó, trong rất nhiều loại ăngten phổ biến, vận dụng kiến thức đã học của môn “Anten và truyền sóng” cùng tham khảo các tài liệu từ nhiều nguồn uy tín, chúng em đã quyết định chọn loại ăngten nơ để tìm hiểu và mô phỏng. Trong phạm vi bài báo cáo của đề tài này, chúng em tập trung trình bày về lịch sử, cấu tạo, nguyên lý bức xạ, đặc tính cơ bản cũng như ứng dụng của ăngten nơ. Cùng với đó, thiết kế và mô phỏng một ăngten nơ trên phần mềm HFSS. Bài báo cáo gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về ăngten nơ Chương 2: Thiết kế và mô phỏng ăngten nơ Chương 3: Kết luận DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình một ăngten nơ đơn giản .................................................................... 4 Hình 1.2 Một ăngten nơ với tên gọi ăngten râu mèo .................................................... 4 Hình 1.3 Folded dipole ăngtenna ................................................................................... 5 Hình 1.4 Các dải tần số cơ bản ........................................................................................ 6 Hình 1.5 Cấu tạo ăngten nơ truyền thống ...................................................................... 7 Hình 1.6 Ăngten nơ dạng khung dây ............................................................................. 7 Hình 1.7 Ăngten nơ mở 1 góc 600 .................................................................................. 8 Hình 1.8 Mô hình đường truyền sóng phân cực thẳng .................................................... 9 Hình 1.9 Radiation pattern đa hướng (trong một mặt phẳng) ......................................... 9

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC ANTEN VÀ TRUYỀN SĨNG Đề tài: TÌM HIỂU VỀ ĂNG-TEN NƠ Giảng viên hướng dẫn: Hà Nội, tháng 12 năm 2020 MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU Với xu hướng cơng nghệ ngày phát triển mạnh mẽ, có hệ thống thông tin Chúng ta biết đến hệ thống thông tin 5G tương lai không xa 6G hay nhiều công nghệ khác người nghiên cứu phát triển Việc hiểu biết nắm rõ q trình truyền sóng ăng-ten thiếu sinh viên viện Điện tử-Viễn thông Bởi hệ thống thông tin vô tuyến phải sử dụng đến ăng-ten để thu phát tín hiệu Do đó, nhiều loại ăng-ten phổ biến, vận dụng kiến thức học mơn “Anten truyền sóng” tham khảo tài liệu từ nhiều nguồn uy tín, chúng em định chọn loại ăng-ten nơ để tìm hiểu mơ Trong phạm vi báo cáo đề tài này, chúng em tập trung trình bày lịch sử, cấu tạo, nguyên lý xạ, đặc tính ứng dụng ăng-ten nơ Cùng với đó, thiết kế mô ăng-ten nơ phần mềm HFSS Bài báo cáo gồm chương: Chương 1: Tổng quan ăng-ten nơ Chương 2: Thiết kế mô ăng-ten nơ Chương 3: Kết luận DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình ăng-ten nơ đơn giản 2 Hình 1.2 Một ăng-ten nơ với tên gọi ăng-ten râu mèo Hình 1.3 Folded dipole ăng-tenna Hình 1.4 Các dải tần số Hình 1.5 Cấu tạo ăng-ten nơ truyền thống Hình 1.6 Ăng-ten nơ dạng khung dây Hình 1.7 Ăng-ten nơ mở góc 600 Hình 1.8 Mơ hình đường truyền sóng phân cực thẳng Hình 1.9 Radiation pattern đa hướng (trong mặt phẳng) Hình 1.10 Đồ thị xạ ăng-ten nơ fmin fmin 10 Hình 1.11 Đồ thị xạ ăng-ten nơ fmin 3.5 fmin 10 Hình 1.12 Đồ thị xạ mặt phẳng E H 11 Hình 1.13 Độ tăng ích theo tần số chuẩn hóa broadside 11 Hình 1.14 Đồ thị VSWR theo tần số chuẩn hóa 12 Hình 1.15 Ăng-ten nơ hoạt động dải tần UHF 13 Hình 1.16 Ăng-ten TV sử dụng ăng-ten nơ 13 Hình 1.17 Ứng dụng ăng-ten nơ 14 Hình 2.1 Ăng-ten nơ sử dụng cơng nghệ vi dải 15 Hình 2.2 Tạo cấu trúc ăng-ten HFSS 16 Hình 2.3 Tiếp điện cho ăng-ten với điện trở tiếp điện 75 Ohm 16 Hình 2.4 Đồ thị xạ ăng-ten nơ vi dải dạng 3D tần số 3.5GHz 17 Hình 2.5 Đồ thị xạ ăng-ten nơ vi dải dạng 2D tần số 3.5GHz mặt phẳng Theta Hình 2.6 Đồ thị xạ ăng-ten nơ vi dải dạng 2D tần số 3.5GHz mặt phẳng Phi .1 Hình 2.7 Đồ thị tham số S11 18 Hình 2.8 Đồ thị hệ số tăng ích (phi=0, theta=0) theo tần số 18 3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN NƠ 1.1 Giới thiệu ăng-ten nơ Ăng-ten nơ, tiếng anh gọi Bow-tie antenna, ăng-ten kim loại hình chữ “X” giống hình nơ Hình 1.1 Mơ hình ăng-ten nơ đơn giản Như Hình 1.1 , thấy hai cánh ăng-ten thiết kế đối xứng hai phía Hình dáng bề ngồi giống bướm với đơi cánh mở rộng nên đơi ăng-ten nơ cịn gọi “ăng-ten cánh bướm” Khi phần tử nơ có kim loại dùng để đóng ăng-ten gọi “ăng-ten râu mèo Hình 1.2 4 Hình 1.2 Một ăng-ten nơ với tên gọi ăng-ten râu mèo Ăng-ten nơ biến thể từ loại “folded dipole antenna” – ăng-ten phát minh Do kế thừa số đặc tính, nguyên lý ăng-ten dipole có đặc trưng riêng trình bày phần sau báo cáo Hình 1.3 Folded dipole ăng-tenna 1.2 Lịch sử Trong năm 1880, ngành phát Mỹ gặp phải khó khăn việc kênh truyền bị nhiễu lẫn cộng ngệ phát sóng chưa tốt Lúc ấy, Mỹ có 13 kênh phẩn bổ cho chương trình tivi, đánh số từ đến 13 Các kênh truyền có số liền kề bị nhiễu lẫn yếu tố thời tiết, kỹ thuật,… phạm vi cho phép Do thành phố phát sóng kênh thành phố giáp ranh phát kênh Điều gây nên khó khăn việc mở rộng mạng lưới truyền hình khắp nước Để khắc phục điều này, phủ Mỹ phải phân bổ lại dải tần cho chương trình phát sóng truyền hình thành 470Mhz đến 890Mhz Đây dải tần nằm khoảng tần số có tên gọi UHF (Ultra high frequency), tức tần số cực cao, thường từ 300Mhz đến 3000 Mhz Dải tần UHF với đặc điểm có nhiều dao động chu kỳ tần số cao, dải tần rộng thể rõ Hình 1.4, khắc phục tượng nhiễu lẫn kênh truyền 5 Hình 1.4 Các dải tần số Đáp ứng nhu cầu thu nhận sóng UHF ăng-ten nơ đời, tiên phong Brow Woodward Bởi lí ăng-ten nơ có cấu hình đặt theo dạng chữ “X” thay phần tử đặt theo chiều ngang giúp thu dải tần rộng Kết cấu đơn giản, thay đổi linh hoạt theo giá trị UHF nguyên tắc “kích thước ăng-ten phải bội số nhỏ phần tần số cần thu” Sau năm 2009 90% sóng truyền hình chuyển sang băng tuần UHF khiến việc thu nhiều kênh truyền hình chở nên dễ dàng Các kênh đặt cạnh mà khơng ảnh hướng đến Do ăng-ten nơ ngày sử dụng phổ biến 1.3 Cấu tạo Ăng ten nơ loại ăng ten lưỡng cực coi biến thể dipole Thay sử dụng đoạn dây dẫn thẳng ăng-ten nơ truyền thống thiết kế gồm vật dẫn mỏng hình tam giác, đặt đối đỉnh gần sát nằm mặt phẳng (Hình 1.5) tiếp điện 6 Hình 1.5 Cấu tạo ăng-ten nơ truyền thống Một kiểu thiết kế khác thường gặp ăng-ten nơ làm dây dẫn tạo thành khung hình tam giác thay dùng tiếp điện dipole (Hình 1.6) Loại thơng dụng có nhiều lợi ích chống gió tốt, giảm trọng lượng, giảm chi phí sản xuất,… Hình 1.6 Ăng-ten nơ dạng khung dây 1.4 Nguyên lý xạ Vì ăng ten nơ biến thể dipole, có nguyên lý xạ dạng xạ đa hướng giống với dipole Bức xạ dipole dây mỏng hình thành 7 chồng chất xạ trực tiếp từ dòng cấp từ nguồn phản xạ mạnh đầu mút Mối quan hệ độ lớn pha sóng tới sóng phản xạ xác định định dạng hiệu suất trở kháng ăng-ten Do kết hợp pha chặt chẽ thành phần dipole dây mỏng, hiệu suất phụ thuộc vào tần số cao Bằng cách biến đổi dipole dây mỏng thành thắt nơ, thành phần phản xạ cạnh góc ăng-ten nơ có kết hợp pha yếu hơn, đóng góp vào xạ dẫn đến băng thông hoạt động rộng Ăng-ten nơ hoạt động thường thu nhận tín hiệu từ góc 60 0, lý tưởng cho việc nhận tín hiệu từ nguồn khác nhau, giúp ăng-ten thu tín hiệu khoảng dải tần rộng Hình 1.7 Ăng-ten nơ mở góc 600 1.5 Đặc tính Ăng-ten nơ có băng thơng rộng Do làm việc dải tần cao nên hiệu suất truyền (transmitting efficiency) dải tần số thấp so với ăng-ten loga chu kỳ Về phân cực, ăng-ten nơ có phân cực thẳng nên nhận tín hiệu theo hướng hình nón hay cánh bướm Do khơng nhận tín hiệu bên ngồi mặt phẳng (tham khảo mơ hình ăng-ten parabol Hình 1.8) 8 Hình 1.8 Mơ hình đường truyền sóng phân cực thẳng Về đồ thị xạ (radiation pattern), ăng-ten nơ có radiation pattern đa hướng (omnidircectional) mặt phẳng (Hình 1.9) Hình 1.9 Radiation pattern đa hướng (trong mặt phẳng) Ta xét dải tần hoạt động ăng-ten nơ (đặc trưng nhất) từ f đến fmax với góc mở 600 Trong phạm vi gần fmin ăng-ten nơ có đồ thị xạ phần lớn đa hướng mặt phẳng H (Hình 1.12), tần số vượt 2f đồ thị giảm nhanh chóng (Hình 1.10) Khi tăng tiếp tần số lên đến 3.5fmin chùm ngồi lề hình thành (Hình 1.11) 9 Hình 1.10 Đồ thị xạ ăng-ten nơ fmin fmin Hình 1.11 Đồ thị xạ ăng-ten nơ fmin 3.5 fmin 10 10 f f f 3.5 f Hình 1.12 Đồ thị xạ mặt phẳng E H Về độ tăng ích (gain), ăng-ten nơ có độ tăng ích khơng cao thường từ 1dBi đến 4.5dBi, trung bình khoảng 4dBi Ta quan sát độ tăng ích ăng-ten nơ phổ tần chuẩn hóa để thấy rõ điều broadside (Hình 1.13) 11 11 Hình 1.13 Độ tăng ích theo tần số chuẩn hóa broadside Về đặc tính trở kháng, ăng-ten nơ có đặc tính trở kháng tốt Tỉ số điện áp VSWR không bị suy giảm nhiều tần số tăng lên ưu điểm cấu hình (Hình 1.14) Khi tần số cao có xuất gợn sóng VSWR nằm giá trị định VSWR có giảm đơi chút sử dụng chất (substrate) dày hiệu suất cao Điều thử nghiệm với chất mỏng đỉnh gợn sóng cao Mơ hình vẽ với trở kháng tham chiếu 250 ohm Hình 1.14 Đồ thị VSWR theo tần số chuẩn hóa 1.6 Ưu điểm nhược điểm ăng-ten nơ 1.6.1 Ưu điểm • • • • Thiết kế đơn giản, nhẹ chi phí thấp Dải tần rộng Thu tín hiệu từ nhiều nguồn khác Thu tín hiệu UHF khoảng dải tần rộng 1.6.2 Nhược điểm • • Hiệu suất truyền dải tần số thấp Dị phát tín hiệu RF khơng tốt ăng-ten dipole hình chóp 12 12 1.7 Ứng dụng ăng-ten nơ Dải tần hoạt động ăng-ten nơ UHF hoạt động tốt dải tần 470MHz – 890MHz Hình 1.15 Ăng-ten nơ hoạt động dải tần UHF Ăng-ten nơ sử dụng nhiều việc thu nhận sóng ti vi, trạm phát khả thu tín hiệu khoảng tần số rộng Hơn nhỏ nhẹ, thiết kế đơn giản chi phí thấp 13 13 Hình 1.16 Ăng-ten TV sử dụng ăng-ten nơ Ngồi ra, ăng-ten nơ cịn ứng dụng mạng giao tiếp khơng dây, tối ưu hóa truyền radar xuyên mặt đất Hình 1.17 Ứng dụng ăng-ten nơ Nhờ vào ưu điểm thiết kế đơn giản, ăng-ten nơ ngày sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Những nghiên cứu tương lai ăng-ten nơ tiếp tục nhằm nâng cấp, tối ưu hiệu suất đơn giản hóa cấu trúc hay kiểm soát lượng xạ, nâng cao băng thơng CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG ĂNG-TEN NƠ VI DẢI 2.1 Thiết kế 2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật • • Dải tần hoạt động: 3.1-3.8GHz |S11|< -10 dB 14 14 2.1.2 Số liệu thiết kế Hình 2.1 Ăng-ten nơ sử dụng cơng nghệ vi dải Kích thước đế (cm) Kích thước ăng-ten (cm) subX 18 Inner_Width 0.5 subY 18 Outer_Width subH 0.1575 Arm_Length 4.46 Port_Gap 0.22 Vật liệu: Rogers RO3006 2.2 Mô Dưới minh họa việc mô phần mềm HFSS 15 15 Hình 2.2 Tạo cấu trúc ăng-ten HFSS Hình 2.3 Tiếp điện cho ăng-ten với điện trở tiếp điện 75 Ohm 2.3 Kết mô Các kết mô phỏng, thơng số trình bày hình sau đây: 16 16 Hình 2.4 Đồ thị xạ ăng-ten nơ vi dải dạng 3D tần số 3.5GHz Hình 2.5 Đồ thị xạ ăng-ten nơ vi dải dạng 2D tần số 3.5GHz mặt phẳng Theta Hình 2.6 Đồ thị xạ ăng-ten nơ vi dải dạng 2D tần số 3.5GHz mặt phẳng Phi Ở dải tần này, đồ thị xạ khơng cịn dạng đa hướng trường xạ mạnh theo hướng vng góc với mặt phẳng đế, hệ số tăng ích thu nhỏ (Max 2.5 dB) 17 17 Hình 2.7 Đồ thị tham số S11 Hệ số S11 đạt cực tiểu -22dB tần số = 3.54 ���� thõa mãn yêu cầu đề bài, băng thông S11< -10dB chiếm 78,6% dải tần hoạt động (3.1-3.8GHz) Hình 2.8 Đồ thị hệ số tăng ích (phi=0, theta=0) theo tần số Hệ số tăng ích ăng-ten nơ nhỏ 2.4 Nhận xét Kết mô phù hợp với lý thuyết tìm hiểu thõa mãn yêu cầu toán đặt 18 18 CHƯƠNG KẾT LUẬN Sau thời gian nỗ lực tìm hiểu, chúng em thực mô thành công ăng-ten nơ vi dải hoạt động dải tần 3.1-3.8 GHz phần mềm HFSS Vượt qua khuôn khổ tập lớn, chúng em tiếp thu nhiều kiến thức loại ăng-ten đồng thời trau dồi kỹ sử dụng phần mềm mô Mặc dù cố gắng, nhiên giới hạn mặt kiến thức tài liệu liên quan nên báo cáo chúng em hẳn cịn nhiều thiếu sót Do mong quan tâm góp ý thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn! 19 19 PHỤ LỤC Tài liệu tham khảo: http://www.antenna-theory.com/antennas/wideband/bowtie.php https://www.elprocus.com/different-types-of-antennas-with-properties-and thier-working/ http://eng-gate.net/general-engineering/t2724.html https://blog.solidsignal.com/tutorials/what-is-a-bowtie-antenna/ https://www.iceeet.com/types-of-antennas/#BowTie_Antennas https://www.researchgate.net/figure/The-HFSS-generated-bowtieantenna_fig2_266462197 https://www.quora.com/What-is-the-difference-between-a-dipole-antenna-and a-bow-tieantenna-Which-one-is-more-suitable-to-use-for-underwater https://www.researchgate.net/publication/222537511_Comparison_of_dipole_b owtie_spiral_and_log-periodic_IR_antennas Antenna Magus 5.5.0: 9-12-2015, Content Copyright Magus Pty (Ltd) 10 Anten va truyeền song – PGS.TS Phan Anh 11 Các bai báo trên https://www.ieee.org/ Phân công công việc: Họ tên MSSV Công việc Nguyễn Xn Hồng 20180085 Tìm hiểu lịch sử, đặc tính, ứng dụng, làm slides, thuyết trình, báo cáo Nguyễn Viết Thịnh 20180178 Mơ phỏng, làm slides, thuyết trình, báo cáo Đặng Bá Luân 20180130 Tìm hiếu cấu tạo, nguyên lý xạ, ưu nhược điểm, làm slides, thuyết trình, báo cáo 20 20 ... đặc tính ứng dụng ăng-ten nơ Cùng với đó, thiết kế mô ăng-ten nơ phần mềm HFSS Bài báo cáo gồm chương: Chương 1: Tổng quan ăng-ten nơ Chương 2: Thiết kế mô ăng-ten nơ Chương 3: Kết luận DANH... CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN NƠ 1.1 Giới thiệu ăng-ten nơ Ăng-ten nơ, tiếng anh gọi Bow-tie antenna, ăng-ten kim loại hình chữ “X” giống hình nơ Hình 1.1 Mơ hình ăng-ten nơ đơn giản Như Hình 1.1... trình, báo cáo Nguyễn Viết Thịnh 20180178 Mơ phỏng, làm slides, thuyết trình, báo cáo Đặng Bá Luân 20180130 Tìm hiếu cấu tạo, nguyên lý xạ, ưu nhược điểm, làm slides, thuyết trình, báo cáo 20