ĐỀ TÀI :MÔ PHỎNG ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 1 GHz BẰNG CST

Chấn tử đối xứng là loại anten đơn giản và là một trong những nguồn bức xạ được sử sử dụng khá bổ biến .Chấn tử đối xứng có thể sử dụng như một anten đơn lập hoặc có thể sử dụng để cấu tạo nên các anten phức tạp hơn .

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Bài tập lớn Môn Anten và truyền sóng

Giảng viên : Nguyễn Văn Khởi

Nhóm : 4 Lớp KTVT 1 – K61

Thành viên : 1 Lại Văn Hoàn

2 Thoòng Trung Long

i, Khái niệm Anten và vị trí của Anten trong thông tin vô tuyến điện 4

ii, Phân loại Anten, một số Anten thông dụng 5

3 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của Anten 8

4 Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại của anten 9

1 Tìm hiểu lý thuyết, cấu tạo, thiết kế 12

II Thiết kế mô phỏng anten trong CST Studio SE 14

LỜI NÓI ĐẦU

Trong một xã hội hiện đại, sự phát triển của ngành điện tử viễn thông là mộtyêu cầu không thể thiếu để thúc đẩy nền kinh tế phát triển và góp phần nâng cao đờisống xã hội

Ngày nay, trên thế giới, điện tử viễn thông vẫn không ngừng phát triển với tốc

độ rất cao và thâm nhập ngày càng sâu vào tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội.Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con ngườingày càng cao và thật sự cần thiết Việc sử dụng các hệ thống phát, thu vô tuyến đãphần nào đó đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của con người ở các khoảngcách xa một cách nhanh chóng và chính xác

Trong cuộc sống hằng này chúng ta dễ dàng bắt gặp nhiều hệ thống Anten như:

Hệ thống Anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTS dùng cho các mạngđiện thoại di động Hay những vật dụng đơn giản trong hằng này như bộ đàm, điệnthoại di động, radio chúng cũng đề sử dụng Anten

Qua việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật Anten sẽ giúp ta nắm được cơ sở

lý thuyết Anten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số

cơ bản của các loại Anten thường dùng Đó là lí do nhóm chúng em chọn đề tài “ Thiết

kế Anten chấn tử đối xứng 1Ghz qua phần mềm mô phỏng CST ”

Trong quá trình thực hiện đề tài, tuy đã rất cố gắng xong do những hạn chế vềthời gian tìm hiểu, kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế nên chúng em không tránhkhỏi nhiều thiết xót Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy

và các bạn để đề tài của chúng em ngày càng được hoàn thiện hơn, với nhiều chứcnăng hơn

Nhóm em xin chân thành cảm ơn

A PHẦN 1 KHÁI QUÁT VỀ ANTEN VÀ ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG

I Cơ sở lí thuyết

i, Khái niệm Anten và vị trí của Anten trong thông tin vô tuyến điện

Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ trong không gian bên ngoài

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyếnđiện nào, bởi vì đã là hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện tử nên không thể thiếu thiết bị thu phát sóng điện tử hay chính là Anten Một hệ thống truyền dẫn đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, Anten phát và Anten thu (Hình1.1) Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển

từ xa

Ở nơi phát, sóng điện từ cáo tần được truyền dẫn từ máy phát đến Anten thôngqua hệ thông Fidơ dưới dạng sóng điện tử ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổisóng điện từ ràng buộc trong Fidơ thành dạng sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian.Cấu tạo của Anten quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện nói trên Tại nơi thu,Anten làm nhiệm vụ ngược lại với Anten phát, Anten thu tiếp nhận sóng điện tử tự do

từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện tử rằng buộc, sóng nàyđược truyền theo fido đến máy thu Yêu cầu của thiết bị Anten – fido là phải thực hiệnviệc truyền và biến đổi năng lượng sóng điện tử với hiệu quả cao nhất và không gâyméo dạng tín hiệu

Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau thì có những yêu cầu khácnhau Với các đài phát thanh, vô tuyến truyền hình thì Anten cần bức xạ đồng đềutrong mặt phẳng ngang (mặt đất), để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều thuđược tín hiệu của đài Xong Anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứngvới hướng cực đại song song mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tínhiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo hướng không cần thiết.

Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin truyền tiếp, rađa, vô tuyến điềukhiển thì lại yêu cầu Anten bức xạ với hướng tính cao (sóng bức xạ chỉ tập trungvào một góc rất hẹp trong không gian)

Như vậy nhiệm vụ của Anten không phải chỉ đơn giản là biến đổi năng lượngđiện tử cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướngnhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước

ii, Phân loại Anten, một số Anten thông dụng

1 Phân loại Anten

Anten có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, thường theo các cáchphân loại sau:

- Công dụng của Anten: Anten có thể được phân loại thành Anten phát, Antenthu hoặc Anten thu phát dùng chung Thông thường Anten làm nhiệm vụ cho cả phát

và thu

- Dải tần công tác của Anten: Anten sóng dài, Anten sóng trung, Anten sóngngắn và Anten sóng cực ngắn

- Cấu trúc của Anten:

- Đồ thị phương hướng của Anten: Anten vô hướng và Anten có hướng

- Phương pháp cấp điện cho Anten: Anten đối xứng và Anten không đối xứng

2 Một số Anten thông dụng

Trong thực tế có một số loại Anten thông dụng sau:

iii, Các thông số cơ bản của Anten

Để đánh giá, lựa chọn hoặc sử dụng tốt một anten phải dựa trên những đặc tính

và tham số của nó Dưới đây là những đặc tính và tham số cơ bản của anten

1 Hàm tính hướng

Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạcủa anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi,được ký hiệu là f (θ ,φ)

Hàm tính hướng được thể hiện ở các dạng sau:

 Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng là hàm véc tơ phức, bao gồmcác thành phần theo θvàφ

 Để đơn giản cho việc khảo sát tính hướng của một anten cũng như thiết lập

và phân tích đồ thị phương hướng ta thường dùng một hàm biên độ chuẩnhóa, là hàm số biểu thị biên độ cường độ trưởng ở hướng khảo sát trên biên

độ cường độ trưởng ở hướng cực đại

F(θ,φ)= ¿f (θ ,φ)∨ ¿

¿f (θ ,φ)max∨¿¿¿

(1.2)Như vậy giá trị cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1

2 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng

Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạhoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảosát cố định (tính tử anten) Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian bachiều (có dạng hình khối) nhưng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ Thông thường,

đồ thị phương hướng là một mặt cắt của đồ thị hướng tính ba chiều Đó là đồ thị hướngtính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại đô thị có thểhiện thị dễ dàng trên giấy (Hình 1.3)



Từ đồ thị phương hướng ta nhận thấy rằng, giá trị trường bức xạ biến đổi theo

sự biến đổi của các góc phương hướng khác nhau Vì vậy để đánh giá dạng của đồ thịphương hưởng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thịphương hướng hay còn gọi là độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng được xác định bởigóc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ trưởng hoặc công suất bức xạgiảm đi một giá trị nhất định Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thường thì độrộng búp sóng nửa công suất được sử dụng Độ rộng búp sóng nửa công suất là gócgiữa hai hướng mà theo hai hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với côngsuất bức xạ cực đại Nếu tính theo giá trị của cường độ điện trưởng thì độ rộng búp

sóng này ứng với góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ điện trường

giảm đi √2 lần so với giá trị cực đại của Anten trong tọa độ cực

3 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của Anten

Công suất cấp cho Anten bao gồm cả công suất tổn hao P th trên đường truyền

và trong quá trình biến đổi năng lượng; và công suất bức xạ P bx:

P A =P bx +P th

Một cách hình thức ta có thể coi công suất bức xạ của Anten tương tự

như công suất tiêu hao trên một đường điện trở tương đương R nào đó Khi ấy ta cóthể viết

P A =I2(R bx +P th) R bx : điện trở bức xa của Anten

Hiệu suất của Anten, , chính là tỷ số giữa công suất bức xạ, P và công suất máyphát đưa vào anten, (P A)

η A=P bx

P A

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten Thôngthường hiệu suất của anten luôn nhỏ hơn 1.

4 Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại của anten

Hệ số hướng tính (còn gọi là hệ số phương hướng) và hệ số khuếch đại (còn gọi

là hệ số tăng ích hay độ lợi) là các thông số cho phép cho phép đánh giá tính phươnghướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa nào đó của trưởng bức xạ trên cơ

sở các biểu thức hoặc đồ thị so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn) Như vậyviệc so sánh các anten với nhau và lựa chọn loại anten thích hợp cho tuyến thông tincần thiết trở nên dễ dàng

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất làm việc 100% và năng lượng bức xạ sóngđiện tử đồng đều ở tất cả các hướng Anten lý tưởng được xem như nguồn bức xạ vôhướng hoặc một chấn tử đối xứng nửa bước sóng

 Hệ số hướng tính

Hệ số hướng tính của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức

xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướngvới khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất bức xạ của hai anten là như nhau

D(θ, φ) = S(θ ,φ)

S0

Trong đó:

D(θ,φ):là hệ số hướng tính của anten khảo sát ở hướng ¿) với khoảng cách rS(θ ,φ) và

S0 là mật độ công suất bức xạ của anten khảo sát ở hướng (θ ,φ), khoảng cách r và mật

độ công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét

 Hệ số khuyếch đại của Anten

Hệ số khuếch đại của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức

xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướngvới khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất đưa vào của hai anten là như nhau

và anten chuẩn (anten vô hướng) có hiệu suất bằng 1

G(θ ,φ) =η A S(θ ,φ) S

0 =η A D(θ ,φ)

Như vậy hệ số khuếch đại của anten là một khái niệm đầy đủ hơn và được dùngnhiều trong thực tế kỹ thuật, nó đặc trưng cho anten cả về đặc tính bức xạ (hướng tính)

và khả năng làm việc (hiệu suất) của anten Hệ số khuếch đại của anten cho thấy rằng anten có hướng tính sẽ bức xạ năng lượng tập trung về hướng được chọn và giảm nănglượng bức xạ ở các hướng khác Chính vì vậy mà nó còn được có thể được gọi là hệ sốtăng ích hay độ lợi của anten.

Hình 1.5 Đồ thị phương hướng

Lưu ý rằng, ta thường chọn phương chuẩn là phương bức xạ cực đại của anten nên sau này khi chỉ dùng các kí hiệu D và G, đó chính là hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại ở hướng bức xạ cực đại (1.8)

5 Trở kháng vào của Anten

Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu trực tiếp hay qua fido, anten sẽ trở thành tải của máy phát hoặc máy thu Trị số của tải này được đặc trưng bởi một đại lượng gọi là trở kháng vào của anten Trong trường hợp tổng quát, trở kháng vào là một đại lượng phức bao gồm cả phần thực và phần kháng, được xác định bằng tỷ số giữa điện áp đầu vào của anten và dòng điện đầu vào

Z vA=U a

I a =R vA + j X vA

Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten, điểm và phương tiếp điện cho anten

6 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống thông tin vô tuyến, ví dụ trong thông tin vệ tinh, công suất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, ký hiệu là EIRP Công suất này được định nghĩa: (1.9)

EIRP = P T G T(W)Trong đó Pr là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và Gr là hệ

số khuếch đại của anten phát Chú ý rằng, nếu bỏ qua suy hao fiđơ nối từ máy phát đếnanten thì P A =P T

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương là công suất phát được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể coi G T=1

Hình 2.1 Dipole nửa sóng

B PHẦN 1.

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 1 GHZ

I Cơ sở lí thuyết

i, Cấu trúc của Anten dipole.

1 Tìm hiểu lý thuyết, cấu tạo, thiết kế.

- Dipole nửa sóng:

 Là cấu trúc gồm hai vật dẫn hình dạng tùy ý:

+ Kích thước giống nhau, đặt thẳng hàng trong không gian

+ Điểm giữa (đối xứng) nối với nguồn tín hiệu cao tần

+ Có thể kết hợp nhiều chấn tử để tăng tính hướng

 Băng thông hẹp

 Hệ số tính hướng D ~ 2,15dBi

- Tham số của chấn tử đối xứng

 Đồ thị tính hướng của chấn tử đối xứng trong mặt phẳng E (Vuông góc)

 Đồ thị phương hướng của Anten Dipole:

 Công suất bức xạ của Dipole được xác định bằng cách tích phân :Hình 2.2 Đồ thị phương hướng của chấn tử đối xứng trong mặt phẳng E

ii, Đặt các tham số mô phỏng

2.1 Port – Cấp nguồn

Hình 2.6 Bảng thiết kế cấp nguồn cho Anten

2.2 Đặt dải tần mô phỏng

2.3 Boundary – Giới hạn không gian

=> Thiết kế không gian bao quanh anten để phần mềm giới hạn thuật toán

2.4 Mesh

Khi lựa chọn mô phỏng Anten thì phần mềm sẽ sử dụng các phương pháp tính

xấp xỉ dựa trên phần mềm Maxwell để tính trường khác nhau như phần tử hữu hạn haykhoản thời gian hữu hạn

Để tính xấp xỉ được được trường điện từ cho hoạt động của anten thì nó sẽ cắt

bỏ các không gian ra thành từng phần nhỏ có thể dụng các hình tứ diện hoặc các hình lập phương hoặc hình hộp chữ nhật và tính xấp xỉ cho từng phần nhỏ đó Cứ mỗi lần chia như vậy nó sẽ tính trường một lần, sau lần chia thứ N và lần chia thứ N + 1, nó sẽ đem so sánh kết quả tính được xem có khác nhiều không

Nếu cái sự sai khác này này mà nhiều thì nó sẽ tiếp tục giảm nhỏ cái kích thướccủa mess Còn nếu nó đủ nhỏ ở một cái ngưỡng nhất định mà được đặt trước thì coi như mô phỏng đã hội tụ và nó sẽ quyết định lấy kết quả đó làm giá trị kết quả mô phỏng

Hình 2.8 Thiết lập không gian bao quanh Anten

Hiện tại sẽ chia được khoảng ~ 9.900 hình tứ diện

Hình 2.9 Hình ảnh mô phỏng sau khi chia thành các tứ diện

Đây chỉ mới là khởi tạo khi tiến hành mô phỏng, khi qua mỗi lần chạy thì nó sẽ cắt nhỏ thêm

2.5 Chọn phương pháp tính mô phỏng

- Có 2 phương pháp tính theo:

+ Tính theo miền thời gian

+ Tính theo miền tần số

Thường sử dụng tính theo miền tần số nó sẽ giúp ta tính nhanh hơn

Ngoài ra chúng ta có thể tính trường bức xạ bằng Field Monitor

Kiểm tra lại tham số set up trước khi chạy Simulator:

iii, Hiển thị kết quả

- Thể hiện qua 2 tham số là:

+Tham số S – Parameter

Hình 2.11

+ Tham số VSWR

HÌnh 2.13 Kết quả tham số VSWR

- Phương chiều dọc theo trục Z bức xạ gần như bằng 0

Ngoài ra chúng ta có thể phân tích 1 số tham số:

+ Hệ số tính hướng đạt 1.655 dBi giống lí thuyết trong

Hình 2.16 Mặt phẳng cắt theo hình chiếu đứng φ=90°

KẾT LUẬN

Qua các kết quả mô phỏng đạt được ta thấy rằng Anten là một hệ thống hết thứcphức tạp, khi thay đổi một vài thông số kỹ thuật trong khi thiết kế dẫn đến ảnh hướngchất lượng của Anten Chẳng hạn như, khi tăng khoảng cách giữa các chấn tử lớn dần,hoặc chọn mesh ít quá hoặc nhiều quá, thì bức xạ hướng của Anten ngày càng tăng Vìvậy cần phỉa điều chỉnh cách thông số trên sao cho phù hợp với bức xạ tốt nhất

Do còn ít kinh nghiệm và hạn chế về thời gian tìm hiểu, kiến thức nên chúng

em không tránh khỏi thiếu sót Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng gópcủa thầy và các bạn để đề tài của chúng em ngày càng được hoàn thiện hơn, với nhiềuchức năng hơn

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Thầy Lê Tiến Thường, Trần Văn Sư, Truyền Sóng Và Anten, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM

[2] Thầy Nguyễn Việt Hưng, Giảng viên bộ môn Vô Tuyến, Khoa Viễn Thông 1, Trường Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông