Tải bản đầy đủ (.docx) (11 trang)

thiết kế anten monopole

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (473.1 KB, 11 trang )

Nguyễn Tiến Lợi
Câu 2 (3 điểm): Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của anten chấn tử đơn.
Tìm hiểu phương pháp thiết kế anten chấn tử đơn, từ đó áp dụng tính tốn thiết
kế anten chấn tử đơn cho hệ thống
phát sóng tại tần số f. Với f tính như sau:
+ Nếu XY = 00 thì f = 1 GHz
+ Nếu 01  XY  05, thì f = Y GHz (ví dụ XY = 04 => f = 4GHz)
+ Nếu 06  XY  99, thì f = XY*50 MHz (ví dụ XY = 32 => f = 1600 MHz)
Mã sinh viên B19DCVT240=> f=40*50=2000Mhz
1. Cấu tạo
Ăng ten đơn cực là một loại ăng ten vô tuyến bao gồm một dây dẫn hình que
thẳng, thường được gắn vng góc trên một số loại bề mặt dẫn điện, được gọi là
mặt đất thường có độ dài bằng ¼ bước sóng. Một số anten có các thanh chéo
(dài khoảng 1/3 bước sóng) tạo nên mặt sợ sở rộng đảm bảo đồ thị bức xạ tốt.
Thanh chấn tử đặt vng góc với mặt phản xạ và ở giữa thanh chấn tử và
mặt phản xạ là nguồn điện xoay chiều. Cực dương được nối với thanh chấn tử
còn cực âm được nối với mặt phản xạ.

Hình 2.1 Anten chấn tử đơn.
2. Nguyên lý
- Anten monopole là 1 nửa của anten lưỡng cực dipole.

1


Nguyễn Tiến Lợi

Hình 2.2 Anten monopole hoạt động tưởng tự dipole
- Mỡi điện tích dương tồn tại trên mặt phẳng này thì sẽ có 1 điện tích âm
ánh xạ bên dưới mặt phản xạ và các đường sức điện của nó khi các điện
tích dương di chuyển sang âm đi theo phương ngang và phương thăng


đứng và lấy ý tưởng đó người ta đã thay chấn tử phía dưới của dipole
thành mặt đất.
- Monopole thường được sử dụng như một anten cộng hưởng.
- Giống 1 anten lưỡng cực, anten đơn cực có dạng bức xạ đa hướng: Nó
bức xạ với công suất bằng nhau theo tất cả các phương vuông góc với
anten.
- Cơng suất bức xạ thay đổi theo góc nâng θ, bức xạ sẽ giảm còn 0 tại đỉnh
trên trục anten.
- Nó phát ra sóng vơ tuyến phân cực thẳng.

Hình 2.3 Cơng suất thay đổi theo góc bức xạ.
3. Phương pháp thiết kế
- Công suất bức xạ: bức xạ bằng một nửa công suất của anten dipole tương
ứng:
2


Nguyễn Tiến Lợi

I m2 .R∑
1
P( monopole) = P( dipole) =
2
2

(2.1)

- Băng thơng : Anten băng hẹp.
- Vì cơng suất phát xạ của monopole phỉ bằng một nửa so với dipole, do
đó điện trở bức xạ của monopole bằng một nửa của dipole tương ứng.

Điện trở bức xạ của Monop9ole (tương ứng với dipole nửa sóng):
.

R( monopole λ /4) = R( dipole λ /2) = 36,5 Ω

(2.2)

- Hệ số tính hướng của anten monopole gấp hai lần anten dipole tương
ứng:

(2.3)
- Hệ số tăng ích: Hệ số khuyếch đại của monopole λ/4 trên mặt phẳng
hoàn hảo là 5,15 dBi tức là gấp đơi dipole nửa bước sóng.
- Trở kháng đầu vào: Trở kháng đầu vào của monopole bằng một nửa trở
kháng vào của anten dipole tương ứng.

(2.4)
(Các kết quả ở những công thức trên là trong điều kiện lý tưởng)
4. Áp dụng tính tốn thiết kế
Thiết kế anten chấn tử đơn: Từ cấu tạo của anten monopole ta thiết kế thanh
chấn tử, mặt phản xạ giới hạn và ở giữa là nguồn cấp điện.
Các thơng số cần tính tốn để thiết kế:
- Tần số f = 40*50=2000Mhz
- Bước sóng

c
3.108
λ= =
= 0.15 (m) = 150 ( mm)
f 2000.106


- Độ dài chấn tử

L = λ / 4 = 37,5mm

3


Nguyễn Tiến Lợi
- Bán kính chấn tử (thường sẽ rất nhỏ) ở đây ta sẽ lấy
c
r = 0,006.( ) = 0,9 (mm)
f

- Độ rộng của mặt đất trong mô phỏng (càng rộng càng tốt) ở đây ta sẽ lấy
2 * λ = 2*150 = 300 ( mm)
khoảng 2 lần bước sóng bằng
Nguồn tài liệu:
- Slide bài giảng Thầy Nguyễn Việt Hưng (Học viện Cơng nghệ Bưu chính
Viễn thơng)
- Wikipedia: />- Youtube: />- Website: />Câu 3: (3 điểm): Từ kết quả tính tốn của câu 2, thiết kế mơ phỏng anten bằng
phần mềm CST Studio. Thực hiện tối ưu. Trình bày mơ hình mơ phỏng, kết quả
mơ phỏng và phân tích kết quảmô phỏng vào bài làm. Gửi kèm cùng với bài làm
file mơ hình mơ phỏng (file .cst), khơng cần gửi thư mục kết quả mô phỏng
Từ các tham số tính tốn ở câu 2 ta sẽ có những số liệu sau để thiết kế anten
chấn tử đơn:
- Chất liệu chấn tử : Đồng (có suy hao)
- Chất liệu tấm phản xạ : Đồng (có suy hao)
- Tần số f=2000Mhz=2Ghz
λ

- Bước sóng =0,15m=150mm
L = λ / 4 = 37,5mm
- Độ dài chấn tử
- Bán kính chấn tử

c
r = 0,006.( ) = 0,9 (mm)
f
2 * λ = 2 *150 = 300 ( mm)

- Độ rộng mặt đất mô phỏng
(đây là độ rộng từ
-x=>x nên từ gốc 0=.>x = 150 mm, trục y cũng tương tự)


- Nguồn cấp điện: 50
- Độ dài tấm phản xạ m= 1 (mm) (khởi tạo)
- Khoảng cách giữa mặt phản xạ với chấn tử :h = 2mm (khởi tạo)
4


Nguyễn Tiến Lợi
Thiết kế anten:

Hình 3.1 Các thơng số của chấn tử
Hình 3.2 Các thơng số của mặt đất

- Chọn dải tần thì ta chọn phần dải tần bao phủ được tần số chúng ta mô
phỏng với f=2Ghz ta chọn dải tần từ 1->3 GhzKhông gian mô phỏnchọn
không gian mở (Simulation->Boundaries)

Hình 3.3 Thơng số khi cài đặt mesh
Hình 3.4 Anten sau khi thiết kế
Nhận xét:
5


Nguyễn Tiến Lợi
Ta thấy đồ thị S (1,1) cho thấy anten hoạt động ở 1,7238GHz nên cần tối
ưu các tham số (ở đây ta sẽ giảm chiều dài) để tăng tần số hoạt động đến
tần số mong muốn 2Ghz

Hình 3.5 Biểu đồ S(1,1) suy hao phản hồi.
Sau khi tối ưu:
- Ta đã có đồ thị S(1,1) phối hợp trở kháng tại ≈2Ghz với L=31,8 mm.
- Độ suy hao phản hồi S1,1=-16,303252 là tương đối tốt.

Hình 3.6 Biểu đồ S(1,1) suy hao phản hồi sau khi tối ưu.
Hình 3.7 Đồ thị VSWR
Đồ thị VSWR 1,3614 nhỏ hơn
1,5 cho thấy phối hợp trở kháng
tương đối tốt tương tự như biểu đổ suy hao phản hồi.

6


Nguyễn Tiến Lợi
Hình 3.8
Đồ thị bức
xạ 3D.
Hệ số phản

xạ 4,416dBi
còn hơi thấp do
diện tích mặt phản xạ khơng phải vơ cùng muốn tối ưu tham số này ta cần mở
rộng mặt phản xạ.
Nhận xét: Đồ thị bức xạ vẫn còn trường bức xạ bên dưới mặt phản xạ do
thiết kế bằng đồng có suy hao và tấm phản xạ bị giới hạn (chứ khơng phải vơ
cùng) dẫn đến góc bức xạ chính chếch lên ở góc 53. Hệ số tính hướng đạt
4,416dBi.
Hình 3.9 Các thơng số của đồ thị bức xạ.
Nhận xét: Ta thấy hiệu suất bức xạ đạt 99,75%
hiệu suất tổng đạt 97,41% là tưởng đối cao và
khá tốt.



Hình 3.10 Đồ thị
bức xạ 1D.
Câu 1:
- Môi
-

trường đồng bằng, địa hình tương đối phẳng.
Tần số hoạt động f = 40*50MHz = 2000MHz
Cự ly phát tối thiểu r = 40Km
Cường độ trường thu được tối thiểu là 0.001 mV/m
Vận tốc di chuyển tối đa của máy thu là 60 Km/h
Anten thu có độ cao từ 1,5 m đến 20m
Anten phát có độ cao từ 200 – 300m.
Chọn Anten phát parabol có đường kính là 10(m).
Chọn Anten thu parabol có đường kính là 1(m).


7


Nguyễn Tiến Lợi
- Chọn hiệu suất Anten là 0,8 (sản phẩm ngồi thị trường thường có hiệu
suất min=70%)

Hình 1.1 Anten parabol

Hình 1.2 Thơng số của anten parabol

Mật độ cơng suất, cường độ điện trường
Ta có xét:
- Nguồn bức xạ sẽ bức xạ vơ số mặt sóng cầu liên tiếp có tâm tại T
- Xét mặt cầu đi qua R có bán kính là r. Thơng lượng năng lượng ( mật độ
cơng suất) tại mặt cầu:
(1.1)

Hình 1.3: Mật độ cơng suất tại điểm R
Cường độ thu tối thiểu : Eh = 0.001mV/m
Theo lý thuyết trường:
S 2 = Eh .H h (1.2) mà H h =
S2 =

Eh
E
= h = 2,65.10 −9 ( A / m) (1.3)
Z 0 120π


Eh2
(0,001.10 −3 ) 2
=
= 2,65.10−15 (W / m2 ) (1.4)
120π
120π

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

8


Nguyễn Tiến Lợi

Eh =

30.P1
= 0,001.10 −3 (V / m)
2
r
−3 2
−3
Eh2 .r 2 (0,001.10 ) ( 40.10 )
=
=
≈ 5,33.10 −5 (W ) (1.5)
30
30
2


→ P1Min

2

2

 π d   π .10 
DT = 
÷ =
÷ = 43864,908
 λ   0,15 

- Hệ số tính hướng anten phát :
π .d 2
A=

- Tiết diện của anten thu:

4

=

π
4
2

- Hệ số tính hướng của anten thu:
- Công suât thực tế của anten thu:

(1.6)


2

 π d   π .1 
Dr = 
÷ =
÷ = 438,649
 λ   0,15 

P2 = S2 . A (1.7)

2

π .d 2
Dr .λ 2
 π .d 
A=
; Dr = 
(1.8)
÷ → A=
4

 λ 
Dr .λ 2 P1.DT
P2 =
.
= 9,13.10−11 (W ) (1.9)
2
4π 4π .r


Tổn hao truyền sóng L:
Xác định bằng tỉ số giữa công suất bức xạ của máy phát với công suất anten
−5

2

thu nhận được:

1
P 5,33.10
 4π .r 
Ltd = 
= 1 =
= 5,836.105
÷.
−11
 λ  DT .Dr P2 9,13.10

(1.10)

Hệ số suy giảm F:

Trong môi trường thực tế:
S2 =

30.P1
30.5,33.10 −5
Eh =
.F =
.0,8 = 8.10−7

2
3 2
r
(40.10 )

P1 DT 2 5,33.10−5.43864,908
.F =
.0,82 = 7, 442.10 −11
2
2
3
4π .r
4π . ( 40.10 )
2

Ltd

1
 4π .r 
=
= 9,119.105
÷.
 λ .F  DT .Dr

(1.13)
9

(1.12)

(1.11)



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

Hình 1.4: Mơ hình truyền sóng với điều kiện lý tưởng
Tổng hợp cường độ trường hai sóng thành phần giao thoa
E1 =

245. PT ( kW ) .GT 1
r1( km )

Cường độ điện trường do tia trực tiếp:

ur
ur ur
E R = E1 + E 2

.e jωt (mV / m)

(1.14)

Cường độ điện trường do tia phản xạ:
E2 = R

245. PT ( kW ) .GT 2
r2( km )

.e j (ωt −k Vr ) ( mV / m)


(1.15)

Do chiều cao anten hT, hR <Vr = r2 − r1 = λ
sai pha thì khơng bỏ qua vì
E1 =

245. PT ( kW ) .GT 1

Cường độ điện trường do tia trực tiếp:

r( km )

.e jωt (mV / m)

(1.16)

Cường độ điện trường do tia phản xạ:
E2 = R

245. PT ( kW ) .GT 2
r1( km )

.e

j (ωt −θ − Vr .


)

λ

( mV / m)

(1.17)

Ngoài ra còn một số thơng số khác như điện trở, hiệu suất, hàm tính hướng
và đồ thị thính hướng, ảnh hưởng của độ cong trái đất…
Lý do lựa chọn anten parabol
10


Nguyễn Tiến Lợi
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 vơ tuyến trong một
chùm hẹp hoặc chỉ nhận sóng vơ 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 vơ tuyến được sử dụng, do đó,
ăng ten parabol được sử dụng trong phần tần số cao của phổ vơ 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.
Biết máy thu có độ nhạy là P2 = -100 dBm
Sử dụng công thức ta chuyển từ dBm sang dB, nên P2 = -70 dBm
Mơi trường thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới q trình truyền sóng, ảnh
hưởng tới cơng suất thu, được đánh giá qua hệ số suy giảm F.
Ltd =

P1
→ P1 = P2 .Ltd = 5,836.105.10−7 = 0,05836

P2

Nguồn tài liệu:
Website : />Website : />
11



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay
×