(TIỂU LUẬN) bài TIỂU LUẬN môn TRUYỀN SÓNG và ANTEN lựa chọn và đề xuất anten phát, anten thu diễn giải lý do, trích dẫn nguồn tham khảo

Tính toán các tham số có thể 1.1 Biểu thức truyền lan sóng trong không gian tự do 1.1.1 Mật độ công suất, cường độ điện trường: Giải quyết:  Nguồn bức xạ sẽ bức xạ vô số mặt sóng cầu li

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I

-BÀI TIỂU LUẬN MÔN TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Việt Hưng

Sinh viên thực hiện: Nguyền Ngọc Thi

Thời gian làm bài: 26/08/2021 – 02/09/2021

Hệ: Chính quy

Hà Nội, tháng 8 năm 2021

PHẦN 1: BÀI TẬP SỐ 1

Bài 1: Tính toán thiết kế các tham số của hệ thống phát sóng vô tuyến trong điều kiện sau.Tính toán tất cả các tham số hệ thống có thể Diễn giải việc lựa chọn giá trị một số tham số Lựa chọn và đề xuất anten phát, anten thu Diễn giải lý do, trích dẫn nguồn tham khảo.Từ lựa chọn anten phát và anten thu Biết máy thu có độ nhạy thu tối thiểu là -100 dBm Ước lượng công suất cần cung cấp cho anten phát dựa trên tổn hao đường truyền trung bình Tìm hiểu và đề xuất các tham số cần thiết cho việc ước lượng.

 Không gian tự do

 Nguồn bức xạ có, công suất bức xạ P 1 (W), đặt tại điểm T.

 Xét trường tại điểm R cách T một khoảng 11(KM).

 Tần số phát 3MHZ.

 Bước sóng  100m

 Anten phát parabol có đường kính là 10(m).

 Anten thu parabol có đường kính là 1(m).

 Cường độ thu tối thiểu E h = 0.001mV/m

 Vận tốc di chuyển tối đa của máy thu là 60KM/h.=50/3 (m/s)

 Hệ số suy giảm F=0,9

 Anten thu có độ cao từ 1,5 m tới 20m.

 Anten phát có độ cao từ 200 – 300m.

2 Tính toán các tham số có thể

1.1 Biểu thức truyền lan sóng trong không gian tự do

1.1.1 Mật độ công suất, cường độ điện trường:

Giải quyết:

 Nguồn bức xạ sẽ bức xạ vô số mặt sóng cầu liên tiếp có tâm tại T

 Xét mặt cầu đi qua R có bán kính là r Thông lượng năng lượng ( mật độ công suất) tại mặt cầu:

(1.1)

2

Theo lý thuyết trường: Hình 1: Mật độ công suất tại điểm

R E h = 0.001mV/m







S  E

h

.H

h

h

2

0

2 (0, 001.10 3 ) 2

S 2 

E h

Theo như đề bài,cường độ điện trường tại điểm thu Eh = 0.001mV/m



30P

E h

1

 Nên công suất phát tối thiểu là

)2

P1 h 3030

Hệ số tính hướng của anten phát:

4.03.106W (1.3)

D    d  2   .10 2  0.098

 Là tích giữa mật độ công suất tại điểm thu, S2 và diện tích làm việc của anten

thu, A

P2 

S2.A (w)(1.4)

Trường hợp sử dụng anten gương parabol tròn xoay với hệ số tính hướng D2

 Tiết diện của anten Parabol:

A  

4 d 2   1

4 m2 (1.5)

 Hệ số tính hướng của anten thu Parabol:



 Công suất thực tế đầu ra anten thu

P 

D 2 P D



2

.

11

.P.D D

2

4. 4. r

112

 4. .r 

P2  4. 3  9,86.10 4 0, 098.4, 03.10 6 (1.7)

1.1.3 Tổn hao truyền sóng, L

 Xác định bằng tỉ số giữa công suất bức xạ của máy phát với công suất anten thu nhận

được

L 

P 

1

P

2

.1010

(1.8)

 Tổn hao truyền sóng trong không gian tự do gây ra bởi sự khuếch tán tất yếu của sóng

theo mọi phương, công suất thu được chỉ là một phần nhỏ Tổn hao này gọi là Tổn hao

không gian tự do, Ltd

L

4

1.1.4 Hệ số suy giảm F

 Trong môi trường thực:

Eh  30P1

r

2

4  11.103

 4  r 

2

 2, 43.10

td

100.0, 9 0, 098.9,86.10

D D

1.1.5 Đặc tính kênh vô tuyến trong các miền tần số:

 Gây ra do hiệu ứng Doppler: Dịch tần số doppler, f

cos  v

c f c cos  f d cos , f Rx  fc  f (1.12)

 Trường hợp anten thu đi lại gần máy phát

f  f 0 c  v  3.10 6

3.108  50

3  2999999,833HZ

 Trường hợp anten thu đi ra xa máy phát

f  f 0 c  v  3.10 6. 50 3  3000000,167HZ

 : Bước sóng

 : Góc giữa phương chuyển

f d : Tần số doppler cực đại

động của MS và sóng tới

1.2 Cường độ điện trường thu được trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với anten đặt cao trong điều kiện lý tưởng.





Hình 2: Mô hình truyền sóng với điều kiện lý tưởng Tổng hợp cường độ trường hai sóng thành phần (giao thoa E R

 E  E

2 1

245 P G

jt

Cường độ trường do tia trực tiếp E1 

T ( kW ) T 1

e ( mV / m) (1.13)

r

1( km)

Cường độ trường do tia phản xạ E  R

T ( kW ) T 2

e j( t k r) ( mV / m) (1.14)

2( km)

Do chiều cao anten h T , h R <<r → G T1 =G T2 =G T ; r 1 =r 2 =r, nhưng khi tính sai pha thì không bỏ qua vì r =r 2 -r 1  

 Cường độ điện trường do tia trực tiếp E1 

T ( kW ) T

e jt ( mV / m)

5

Cường độ điện trường do tia phản xạ

245 P G j (  t  r 2 )

E  R

T ( kW ) T

e  ( mV / m)

2

r

( km)

Cường độ điện trường tổng tại điểm thu

245 P G 1  2 R cos   R 2

j (  t  )

r ( km)

 Xác định điểm giao thoa đạt cực trị

Cực đại:

4h h



T R

n _ max

( m)(1.19)

Cực tiểu:

n _ min

( n

 2.300.1,5 (

n 1).100 ( m)(1.20)

Ngoài ra còn một số thông số khác như điện trở, hiệu suất, hàm tính hướng và đồ thị

thính hướng, ảnh hưởng của độ cong trái đất…

2 Lựa chọn và đề xuất anten phát, anten thu Diễn giải lý do, trích dẫn nguồn tham

khảo.

Ăng-ten parabol là một ăng-ten sử dụng một gương phản xạ parabol, một bề mặt

cong với hình dạng cắt ngang của một parabol, để định hướng sóng vô tuyến Hình thức

phổ biến nhất có hình dạng giống như một món ăn và thường được gọi là ăng ten món ăn

hoặc món ăn parabol Ưu điểm chính của ăng-ten parabol là nó có độ dẫn cao Nó có

chức năng tương tự như đèn rọi hoặc đèn phản xạ để điều hướng sóng vô tuyến trong một

chùm hẹp hoặc chỉ nhận sóng vô tuyến từ một hướng cụ thể Anten parabol có một số

mức tăng cao nhất, có nghĩa là chúng có thể tạo ra băng thông hẹp nhất, của bất kỳ loại

ăng ten nào Để đạt được băng thông hẹp, bộ phản xạ parabol phải lớn hơn nhiều so với

bước sóng của sóng vô tuyến được sử dụng, do đó, ăng ten parabol được sử dụng trong

phần tần số cao của phổ vô tuyến, ở tần số UHF và vi sóng (SHF), tại đó bước sóng đủ

nhỏ để có thể sử dụng gương phản xạ có kích thước thuận tiện

Việc sử dụng ăng-ten parabol lớn khác là cho ăng-ten radar, trong đó cần truyền

một chùm sóng vô tuyến hẹp để xác định vị trí các vật thể như tàu, máy bay và tên lửa

dẫn đường và thường để phát hiện thời tiết Với sự ra đời của các máy thu truyền hình vệ

tinh tại nhà, ăng-ten parabol đã trở thành một đặc điểm chung của cảnh quan của các nước hiện đại

6

3 Từ lựa chọn anten phát và anten thu Biết máy thu có độ nhạy thu tối thiểu là

-100 dBm Ước lượng công suất cần cung cấp cho anten phát dựa trên tổn hao đường truyền trung bình Tìm hiểu và đề xuất các tham số cần thiết cho việc ước lượng Biết máy thu có độ nhạy là P2= -100 dBm

 Sử dụng công thức ta chuyển từ dBm sang dB, nên P2 = -70 dBm

 Môi trường thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình truyền sóng, ảnh hưởng tới công suất thu, được đánh giá qua hệ số suy giảm F

 Trong môi trường thực:

L t

d 

P

 P P.L

1

2

 107.1,9 7.1010

97.103

.(1.21)

PHẦN 2: BÀI TẬP SỐ 2

Bài 2: Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của anten khe nửa sóng Tìm hiểu phương pháp thiết kế anten khe trên công nghệ vi dải (Microstrip), từ đó áp dụng tính toán thiết kế anten khe vi dải cho hệ thống phát sóng tại tần số f=11MHZ

2.1 Cấu tạo nguyên lý của anten khe nửa sóng

2.1.1 Cấu tạo

Trong lý thuyết anten chúng ta đã khảo sát bức xạ của một khe hẹp, thẳng được cắt trên mặt một tấm kim loại dẫn điện lý tưởng rộng vô hạn Trong thực tế khe bức xạ có thể

có dạng chữ nhật (khe thẳng) hoặc tròn( khe hình vành khăn) và được cắt trên bề mặt kim loại có hình dạng và kích thước khác nhau: trên thành hốc cộng hưởng, thành ống dẫn sóng chữ nhật hoặc tròn, vỏ cáp đồng trục, trên các tấm kim loại phẳng, cánh máy bay,v.v…Kích thước của các mặt kim loại mang khe hở có thể khá lớn so với bước sóng nhưng cũng có thể chỉ khoảng nửa bước sóng

Trong trường hợp khảo sát khe hẹp có độ dài là  /

hay hốc cộng hưởng, nghĩa là khe chỉ bức xạ vào một nửa

2 , được cắt thành ống dẫn sóng không gian

7

Hình 3 Ăn ten khe nửa sóng

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Trường bức xạ của ăn ten có hai thành phần là

bức xạ được xác định theo công thức:

H

 và Biểu thức cường độ trường

cos

 

cos 



ikR



cos

 

cos 





 i

Trong đó thì U o khe là điện áp điểm giữa của 2 khe và được xác định bằng công thức

2.1.3 Đồ thị phương hướng

Đồ thị của khe nửa sóng mặt phẳng đi qua trong hướng mặt phẳng vuông góc với trục của khe





(2.3)



trục của khe (mặt phẳng H) và

8

Hình 4 Đồ thị phương hướng của khe nửa sóng trong H

Hình 5 Đồ thị phương hướng của khe nửa sóng trong E

2.2 Công nghệ ăn ten khe vi dải

Anten vi dải đơn giản cấu tạo gồm các phần chính là các phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện Phiến kim loại được gắn trên 1 lớp đế điện để tạo một kết cấu tương tự như một mảng của mạch in, vì thế ăn ten mạch dải còn

có tên gọi khác là anten mạch in

Hình 6 Cấu tạo của anten khe vi dải 2.3 Ăn ten mạch dải

Ăn ten nửa sóng trên công nghệ vi dải ( microstrip slot antenna)

Là loại ăn ten được sử dụng phổ biến nhất là loại bao gồm mội phiến kim loại

bằng hình chữ nhật gắn trên bảng mạch in, được tiếp điện bởi cáp đồng trục Chiều dài L

xấp xỉ bằng nửa bước sóng

L  0.49



d

o

: bước sóng trong không gian tự do

: bước sóng truyền trong lớp điện môi

Như trên đã phân tích, trường bức xạ của anten có thể được xác định dựa trên nguồn

bức xạ là điện trường dọc theo khe nhỏ được tạo ra bởi cạnh của phần tử mạch dải và mặt

phẳng đế trực tiếp ở phía dưới Do t << d /4, mỗi khe đơn sẽ có bức xạ đẳng hướng vào

nửa không gian phía trên mặt phẳng đế

Hình 7 Hình vẽ trên phần mềm HFFS 2.4 Microstrip slot antenna

Trường bức xạ có thể được tính toán nhờ các dòng tương đương trong khe, ta nhận

được các thành phần của trường bức xạ của một khe đơn lẻ, biểu thị trong hệ tọa độ cầu

như sau:

k0 t WE0 eik

0r

E  i

2 r

Trong đó: E0là cường độ điện trường trong khe

(2.6) Giả sử lớp thế điện môi là rất mỏng (t<<l)

10

Khi đó thì ta có thể viết đơn giản:

E  i k 0 t WE0 eik 0r  sin s inX sin Z



2 rXZ 

thành E  i tE0 eik

0r





 sin 







s in

 k W cos 



0

2



cos 



















(2.7)

Hàm phương hướng tổ hợp với một hệ thống gồm 2 khe được xác định bởi:

F

k

 2 cos k 0 L e sin

Trong đó thì L e là khoảng cách hiệu dụng giữa các khe khi có tính đến trường ở vùng biên

Áp dụng lý thuyết nhân đồ thị phương hướng, ta có trường bức xạ của anten mạch dải bằng:

2tE0 e

E  i



 r

s in 

0

cos   2

cos k0 L esin  sin   (2.9)





Trong mặt phẳng E (mặt phẳng vuông góc với trục của khe, hay mặt phẳng x0y,

ta có :

/2



cos k 0

L e

sin 

Còn trong mặt phẳng H (mặt phẳng yoz,



2tE e ik



 r

 /2 ) ta có:

 cos k L

0 W





0 e

cos 2





sin



 (2.11)

Lưu ý: Các công thức này chỉ đúng với trường hợp các góc nằm từ khoảng 0 tới 

( nghĩa đúng cho nửa không gian phía trên của màn chắn) Sự bức xạ từ đáy của của điện thế môi trường nhỏ hơn giá trị lý thuyết khoảng 6dB tại 00 và 1800 Một số bức xạ cũng xuất hiện tại bán cầu dưới 1800  3600 Bức xạ tại bán cầu dưới sẽ nhanh chóng bị mất đi

11

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Viết Minh, Truyền sóng và Anten, Bài giảng, Học viện công nghệ BCVT, 6/2010

2 Phan Anh, Trường điện từ và truyền sóng, NXB Đại học Quốc gia, 2002

3 Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB KHKT, 2004

4 Robert E.Collin, Antennas and Radio wave propagation, McGraw Hill

5 Design and study of a microstrip slot antenna operating at 2.8/3.1/3.6/4.7/5.4 GHz Angel Lozada1*, Andrés Piedrahita2 , Gloria Russi

6 DESIGN AND ANALYSIS OF MICROSTRIP SLOT ANTENNA USING HFSS

*Suganya A1 , Rasikaa S2 , Revanthika B3 , Sowmiya S4 1Assistant Professor1 , 2, 3, 4UG Scholar Department of Electronics and Communication Engineering M.Kumarasamy College of Engineering, Karur, TamilNadu, India

7. Ăng ten parabol_websource: https://mimirbook.com/vi/17ecaf5b1bb

8 Investigations on Ultrawideband Pentagon Shape Microstrip Slot Antenna for

Wireless Communications_websource:

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4909455