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: 3

1.

Hà Nội, 2020

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG I LÝ THUYẾT: TRUYỀN SÓNG MẶT ĐẤT 3

1.Phương thức truyền sóng 3

2.Truyền sóng tầm nhìn thẳng 3

3.Truyền sóng mặt đất: Anten đặt cao ( h≫ λ ) 4

4.Truyền sóng mặt đất: Anten đặt thấp ( h≪ λ ) 5

CHƯƠNG II BÀI TẬP 6

1.Khảo sát anten mảng N phần tử 6

2 Bài tập phần Truyền sóng 7

3 Bài tập tham khảo 8

CHƯƠNG III THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN 10

1.Bài toán 10

2.Phân tích 10

3.Mô phỏng với HFSS 10

4.Phân tích kết quả 22

 Sóng truyền đi khắp mặt đất, song song với mặt đất: sử dụng sóng cực dài,

sóng dài và một phần sóng trung (do mặt phẳng đất được coi là dẫn điện lý tưởng nên không hấp thụ sóng)

 Truyền sóng tầm nhìn thẳng: áp dụng với sóng cực ngắn (vì bước sóng rất nhỏ

nên tính nhiễu xa yếu, khó bị lệch)

r1=√l1[m]l2[m] λ [m]

l1+l2 [m]

3 Truyền sóng mặt đất: Anten đặt cao (h≫ λ)

- Mặt đất phẳng

Tường tại điểm thu ⃗E h=⃗E1+⃗E2 Eh max khi E1 và E2 cùng pha

Dạng đơn giản (Vedenski):Eh=2,18√P [kw] D

Với F là ảnh hưởng của mặt đất làm suy hao sóng lan truyền (0 ≤ F ≤1)

Tham khảo thêm:

- Ảnh hưởng của mặt đất làm lệch đường đi của sóng: Sóng truyền theo phương

pháp bề mặt khi đi qua những miền đất có thông số điện khác nhau thì bị đổi hướng

- Nhiễu xạ sóng quanh mặt đất cầu :quỹ đạo sóng bị uốn cong đi quanh vật trên

đường truyền ( thấy rõ khi kích thước vật ≈ λ )

CHƯƠNG II BÀI TẬP

* 𝑑=𝜆44m ≤ N (m=0,1,2,…)

Tại cosθ=± 1 nhận thấy |sin1

2(kd cosθ+180 °)|=0 => Bức xạ đạt cực đại, tương ứng

θ=00 và θ=1800 m-2 hướng còn lại sẽ là cực tiểu

VD: N=6

2 Bài tập phần Truyền sóng

Bài 2.

Cho một đường truyền sóng trực tiếp từ A đến B có khoảng cách l=30m, tần số máy

phát là 2GHz Tại C có một tòa nhà cao 60m, anten phát cao 70m, khoảng cách từtoàn nhà đến anten phát là h=10km Hỏi chiều cao của anten thu cao bao nhiêu đểtoà nhà không làm ảnh hưởng đến việc truyền sóng?

Giải

f =2 G H z

l1=10 km, l2=20 km

h TX=70 m, hC=60 m, h RX=?

Vậy anten thu cần cao ít nhất h RXmin=h C '+x=96,91(m)

3 Bài tập tham khảo

Bài 3.

Tuyến thông tin vệ tinh, khoảng cách quỹ đạo 35786 km, anten trạm mặt đất có G1= 40dBi, anten trên vệ tinh có G2=37 dBi, tần số tuyến lên từ trạm mặt đất là 6 GHz, tần số tuyến xuống từ vệ tinh là 3.5 GHz

a, Tính tổn hao truyền song trong không gian tự do trong hai trường hợp tuyến lên

và tuyến xuống

b, Nếu muốn công suất thu tại 2 đầu đạt tối thiểu -100 dBm khi thu thì trạm mặt đất và trạm vệ tinh phải phát công suất tối thiểu bao nhiêu ?

c, Coi mặt đất phẳng (R = 1 , θ = 1800) anten phát cao 100m Tính độ cao anten thu

để tín hiệu là tối ưu

Để tín hiệu là tối ưu thì song giao thoa phải đạt công hưởng tức độ lệch pha :

CHƯƠNG III THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN

Chiều dài lưỡng cực gần bằng nửa bước sóng res_length = 0.475 * lambda

Mỗi lưỡng cực dipole length = res_length/2 - (gap_source/2)

Click Add, nhập tên vào ô 2, lựa chọn kiểu đơn vị ở ô 3 là Length, tiếp theo chọn đơn vị là mm, nhập giá trị ở ô 5, cuối cùng click vào OK.

Tương tự với các thông số khác:

 Thiết kế

Chúng ta sẽ bắt đầu bằng cách tạo phần tử lưỡng cực bằng nút Draw Cylinder

Chọn 3 điểm tùy ý bên trong vùng vẽ

Thấy ngay xuất hiện ở thanh bên trái đối tượng mới có tên là Cylinder1

Nhấp đúp vào Cylinder1, đặt tên cho đối tượng này

là dip1, vật liệu là PEC (Perfect Electric Conductor

– dây dẫn điện hoàn hảo)

Ngoài ra bạn có thể đổi màu sắc trong Color và độ

trong suốt dưới Transparent

Tiếp tục click đúp vào CreateCylinder

Center Position: Vị trí tâm của mặt đáy, mình sẽ để nó dọc theo trục Z nên sẽ

là 0,0,gap/2

Axis: Trục sẽ gióng theo, ở đây là Z

Radius: bán kính, chính là bán kính dipole

Height: chiều cao hình trụ, là chiều cao của mỗi lưỡng cực

Như vậy chúng ta đã có được lưỡng cực đầu tiên Giờ chỉ

cần tạo ra bản sao của nó và xoay ngược lại thôi

Lựa chọn đối tượng dip1, chọn

Edit>Duplicate>Around Axis

Quay 180 độ theo trục Z OK

Đổi tên đối tượng mới là dip2

 Cấp nguồn

Ở đây chúng ta sẽ tạo Lumped Gap Source Bằng cách vẽ hình chữ nhật trên mặt

phẳng YZ

Ở cửa số Project tiếp tục vào Excitations>Assign>Lumped Port,

Ở cửa sổ General hiện ra, đặt tên cho port và giữ nguyên các thông số Next

Chọn New Line ở cửa số Modes tiếp theo

Nhấp chuột trái để xác định điểm gốc của vectơ trường E Di chuyển con trỏ đến tâm

trên cùng của cổng Nhấp chuột trái để kết thúc vectơ trường E Click Finish

 Tạo không gian mô phỏng

Không gian mô phỏng càng lớn thì thời gian sẽ càng lâu Đối với anten dipole,

Boundary tối thiểu sẽ có dạng hình trụ bán kính là 0.4*lambda, chiều cao là

1.2*lambda

Vật liệu sẽ là AIR và nhớ tăng độ trong suốt của đối tượng.

Kích thước: Để có kết quả tốt nhất, độ rộng của không gian sẽ là lambda/4

Xong Giờ cần phải cho phần mềm biết đây sẽ là không gian mô phỏng

Nếu không có, phải chuột vào thanh công cụ và tìm bật 3D Modeler Selection Mode

Ở trên thanh công cụ, chuyển sang chế độ Face để lựa chọn từng mặt thay cho cả đối

tượng Click vào biểu tượng ở bên cạnh , chọn đối tượng boundary đó, giữ

Ctrl và chọn tất cả các mặt ở bên phải, OK

Sau khi chọn các mặt xong, ở khung Project bên phải nhấp phải chuột vào

Boundaries>Assign>Radiation Có thể đổi tên nếu muốn và nhấn OK

 Chạy mô phỏng

Từ khung Project bên phải nhấp phải chuột vào Analysis  Add Solution Setup

Đặt các thông số tương ứng với GSM 900, OK

Để xem đáp ứng tần số của cấu trúc, phải xác định tần số quét Từ của sổ Project chọn

Setup1  Add Sweep

Điền các thông số

Check lại để xem có lỗi gì không

Nếu không thì sẽ tiến hành mô phỏng, sẽ mất 5-20p tùy máy tính

6 Phân tích kết quả

 Đồ thị S(1,1)

Ở khung Project, Từ Result chọn Create Modal Solituon Data Report 

Rectangular Plot

Nhận thấy đồ thị S(1,1) đi xuống ở 890.8 MHz cho thấy hoạt động khá tốt Dải tần hoạt động ổn định là từ 844.7MHz cho tới 940.9Mhz.

 Hệ số sóng đứng

Tương tự như S(1,1) nhưng lựa chọn:

Hệ số sóng đứng điện áp tại tần số mô phỏng đạt được là 1.41 là rất tốt, chỉ khoảng 4% năng lượng truyền tới anten bị phản xạ lại VSWR có giá trị từ 1.1 tới 1.5 được coi là tuyệt vời, giá trị từ 1.5 tới 2.0 được coi là tốt, và các giá trị cao hơn 2.0 có thể không chấp nhận được

 Đồ thị Smith

Giống như trên nhưng chọn Smith Chart

Thấy được tại tần số mô phỏng, trở kháng vào là Z=50*1,4217=70,70

 Đồ thị bức xạ

Từ khung Project chọn Radition  Insert Far Field Setup  Infinite Sphere

Hoàn thiện các thông số

Quay lại khung Project, Creat Far Fields Report  Radition Pattern

Ta có thể thấy hướng bức xạ cực đại nằm vuông góc với trục của anten, bức xạ giảm xuống 0 dọc theo trục của ăng ten RF như mong đợi.