bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài anten xoắn lò xo

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ</b>

<b>---BÀI TẬP LỚN: ANTEN VÀ TRUYỀN SĨNG</b>

<i><b>Đề tài: Anten xoắn lị xo</b></i>

<b> Giảng viên hướng dẫn</b> TS. Đoàn Thị Ngọc HiềnTS. Tạ Sơn Xuất

<b> Nhóm sinh viên thực hiện</b> Dương Đình Nhật 20200452

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b><small>CHƯƠNG II: MÔ PHỎNG ANTEN XOẮN LÒ XO BẰNG ANSYS...9</small></b>

<b><small>CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA ANTEN XOẮN LÒ XO...20</small></b>

<small>3.1 Ưu điểm...20</small>

<small>3.2 Nhược điểm...20</small>

<small>3.3 Ứng dụng...20</small>

<b><small>CHƯƠNG IV: PHÂN CHIA CÔNG VIỆC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO...21</small></b>

<small>4.1 Phân chia công việc...21</small>

<small>4.2 Tài liệu tham khảo...21</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>LỜI MỞ ĐẦU</b>

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thơng tin, giải trí củacon người ngày càng cao và thật sự cần thiết. Bằng cách sử dụng các hệ thốngphát, thu vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của conngười ở các khoảng cách xa một cách nhanh chóng và chính xác.

Bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng anten để phát hoặcthu tín hiệu. Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp rất nhiều cáchệ thống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, cácBTS dùng cho các mạng điện thoại di động hay những vật dụng cầm tay như bộđàm, điện thoại di động, radio... đều sử dụng anten.

Việc nghiên cứu lý thuyết và kỹ thuật anten giúp ta nắm được các cơ sở lýthuyết anten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính tốn, phương pháp đo các tham sốcơ bản của các loại anten thường dùng.

Để có thể hiểu và hình dung một cách trực quan nhất nhóm em được phâncơng tìm hiểu và trình bày đề tài “ANTEN XOẮN LỊ XO”. Qua q trình họctập, tìm hiểu và mô phỏng anten trên phần mềm ANSYS, cùng với những kiếnthức trên giảng đường chúng em đã tìm hiểu được nhiều kiến thức hơn về mônhọc này.

Học kỳ 20221, chúng em học mơn “Anten và truyền sóng” do cơ ĐoànThị Ngọc Hiền và thầy Tạ Sơn Xuất hướng dẫn. Thầy cô giải đáp thắc mắc và hỗtrợ rất nhiều để nhóm em hồn thành đề tài này. Trong q trình làm việc khơngtránh khỏi những sai sót do thơng tin tìm kiếm và kỹ năng cịn hạn chế, mongthầy cơ góp ý để nhóm em hồn thiện hơn. Nhóm em cảm ơn thầy và cô rấtnhiều!

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN XOẮN LÒ XO</b>

1.1 Lịch sử

Anten xoắn lị xo có lịch sử lâu đời và là đối tượng nghiên cứu và pháttriển trong nửa thế kỉ qua kể từ khi được phát minh vào năm 1946 bởi Kraus. Nólà một anten thú vị với các đặc điểm độc đáo, có khả năng cao, băng thơng rộngvà phân cực tròn.

Ngay sau Hội nghị về ống điện tử tại Đại học Yale, Tiến sĩ Paul Raines đãđến thăm Đại học Bang Ohio vào tháng 11 năm 1946 và thuyết trình về ống dẫnsóng di chuyển bộ khuếch đại [Kraus, 1976]. Tiến sĩ John Kraus, giáo sư OSU,đã tham dự. Sau bài giảng đó, Kraus đã nói chuyện với Raines và hỏi anh ấy liệuanh ấy có nghĩ rằng đường xoắn lị xo có thể được tạo ra để hoạt động như mộtanten. Raines trả lời rằng anh ấy đã thử và vịng xoắn sẽ khơng làm việc như mộtanten.

Kraus phỏng đốn rằng vịng xoắn có thể khơng hoạt động vì nó có đườngkính q nhỏ. Kraus sử dụng bộ tạo dao động 2,5 GHz làm nguồn, quấn mộtvịng xoắn 7 vịng có đường kính 4 cm, tạo ra chu vi 12,5 cm, xấp xỉ một bướcsóng tại nguồn tần số 2,5 GHz. Sử dụng một máy dò tinh thể gắn với một lưỡngcực quạt nhỏ như một nhận được ăng-ten, Kraus có thể xác minh rằng chuỗixoắn lò xo của anh ta tạo ra bức xạ lửa dọc theo trục của chuỗi xoắn và bức xạ bịphân cực trịn. Điều này đã bắt đầu một chương trình nghiên cứu tồn diện củaKraus về các thuộc tính của chế độ cháy cuối hoặc hướng trục, xoắn lị xo.

Cơng trình đầu tiên được xuất bản về ăng ten xoắn lị xo là vào năm 1947[Kraus, 1947]. Kể từ đó hàng trăm bài báo đã được xuất bản về ăng-ten xoắn lịxo trình bày chi tiết lý thuyết về hoạt động, sửa đổi để cải thiện hiệu suất của nóvà các biến thể trên chuỗi xoắn cơ bản thiết kế. Một nguồn khám phá nhiều biếnthể xoắn lò xo và hiệu suất của chúng đặc biệt là cuốn sách xuất sắc của Nakano[1987] cũng bao gồm một danh sách các tài liệu tham khảo đến các nguồn khác.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

1.2 Nguyên lí bức xạ và đặc tính

<i>1.2.1 Cấu tạo của anten</i>

<i><b>Hình ảnh cho thấy hình dạng cơ bản của ăng ten xoắn lò xo theo định nghĩacủa Kraus [1988].</b></i>

D: đường kính lị xo xoắn L: chiều dài 1 vòng xoắn C: chu vi lò xo xoắn n: số vòng xoắn S: khoảng cách giữa 2 vòng xoắn A: chiều dài trục lị xo

<i>1.2.2 Ngun lý bức xạ và đặc tính</i>

Ngun lý bức xạ của ăng ten xoắn lò xo dựa trên khái niệm về sóng dichuyển. Anten bao gồm một dây xoắn lị xo được quấn quanh một thanh hoặchình trụ. Dây được kết nối với điểm nạp ở một đầu và đầu còn lại để hở hoặc nốiđất. Khi một sóng điện từ được áp dụng cho điểm nạp, nó sẽ tạo ra một dòngđiện chạy dọc theo dây xoắn lò xo. Dòng điện này tạo ra một từ trường baoquanh dây dẫn. Khi dòng điện chạy dọc theo đường xoắn lị xo, nó sẽ tạo ra mộtsóng điện từ truyền ra bên ngồi theo mọi hướng.

Hình dạng xoắn của dây làm cho sóng điện từ được bức xạ chủ yếu theohướng vng góc với trục của đường xoắn. Mơ hình bức xạ có tính định hướngcao, với phần lớn năng lượng được tập trung theo hướng dọc theo trục của chuỗixoắn. Mơ hình bức xạ cũng là một hàm của số vịng và đường kính của đường

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

xoắn lị xo, có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa hệ số tăng ích và hướng củaanten.

<i><b>Normal mode </b></i>

Chế độ hoạt động này còn được gọi là chế độ hoạt động vng góc vì trongchế độ này, bức xạ cực đại được phát ra theo hướng của mặt phẳng vng gócvới trục của ăng ten. Để hoạt động ở chế độ thường, các kích thước của anten

1 dipole, trường bức xạ khu xa của một xoắn lị xo nhỏ có thể được biểu diễn

bằng cách chồng chất các trường của các phần tử bức xạ với nhau. Mặt phẳngvịng trịn song song với nhau và vng góc với trục của dipole thẳng đứng. Trụccủa các vịng dây và dipole trùng với trục của xoắn lò xo. Vì ở chế độ thường cáckích cỡ của xoắn lị xo khá nhỏ, dịng điện qua chiều dài của nó có thể coi nhưkhơng đổi và đồ thị trường khu xa độc lập với số vòng dây và dipole ngắn. Vì thếhoạt động của anten có thể được miêu tả chính xác bằng tổng của các trường bứcxạ của một vịng nhỏ đường kính D và một dipole ngắn dài S, với trục vng gócvới mp vịng trịn và mỗi vịng có dịng điện khơng đổi như nhau.

Do sự phụ thuộc quan trọng của các đặc tính bức xạ của nó vào kích thướchình học, phải rất nhỏ so với bước sóng, điều này khiến chế độ hoạt động rất hẹpvề băng thơng và hiệu suất bức xạ của nó rất khiêm tốn. Trên thực tế, chế độ hoạtđộng này bị hạn chế và hiếm khi được sử dụng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<i><b>Hình trên cho thấy mơ hình bức xạ cho chế độ bức xạ bình thườngtrong ăng-ten xoắn lị xo.</b></i>

<i><b>Axial mode</b></i>

Một chế độ hoạt động có ứng dụng thực tế hơn, có thể được tạo ra rất dễdàng đó là chế độ trục. Nó có dải thơng rộng và cường độ bức xạ cực đại nằmdọc theo trục của đường xoắn. Để làm việc ở chế độ trục và ăng ten phân cựctròn chu vi một vòng xoắn cần có chiều dài lớn hơn 3/4 bước sóng và nhỏ hơn4/3 bước sóng ( Thơng thường, anten được sử dụng cùng với mặt phẳng mặt đất,có đường kính là ít nhất , và nó được cấp nguồn bởi cáp đồng trục. Tuy nhiên,có các cách tiếp điện khác (Ví dụ: ống dẫn sóng và thanh điện mơi), đặc biệt ở

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

dải tần sóng cực ngắn. Kích cỡ của xoắn lị xo cho chế độ này khơng q quantrọng, vì vậy băng thơng sẽ lớn hơn.

Mơ hình bức xạ của anten xoắn lị xo đầu lửa là hình trịn hoặc gần trịn.Yếu tố khác biệt quan trọng giữa chế độ bình thường và chế độ dọc trục là ở chếđộ bình thường, bức xạ cực đại dọc theo hướng vng góc của trục. Khi ở chế độdọc trục, bức xạ cực đại nằm dọc theo chính trục đó. Vì vậy, về cơ bản, chế độnày của anten xoắn lò xo là kết quả của các kích thước như vậy trong đó chu vivà khoảng cách giữa các vịng tương đương với một bước sóng.

Khơng giống như chế độ bình thường, chế độ này của anten xoắn lị xo tạora chùm tia rộng và có tính định hướng cao theo hướng dọc trục. Do đó, chế độnày của anten xoắn lò xo được sử dụng cho các ứng dụng thực tế.

Đối với mục đích thực tế, chuỗi xoắn được tạo ra với chu vi gần bằng mộtbước sóng và khoảng cách gần λ/4.

Độ dài hoàn chỉnh của chuỗi xoắn quyết định mức tăng và băng thơng củanó.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<i><b>Hình vẽ cho thấy mơ hình bức xạ cho chế độ bức xạ dọc trục trong ăngten xoắn lò xo.</b></i>

<i><b>Đồ thị bức xạ ở chế độ trục</b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>CHƯƠNG II: MÔ PHỎNG ANTEN XOẮN LỊ XO BẰNGANSYS</b>

<b>2.1. Cơ sở thiết kế anten</b>

<b>*Tìm hiểu về cơ sở thiết kế:</b>

-Khi thiết kế anten helical, các thông số cần biết bao gồm:

1. Tần số làm việc (hoặc dải tần): Đây là tần số mà anten được thiết kế để làm việc. Trong trường hợp anten helical, ta cần biết dải tần làm việc của anten.

2. Hệ số tăng (gain): Hệ số tăng của anten là một thông số quan trọng đo lường khả năng tập trung tín hiệu phát ra của anten trong một hướng cụ thể. Trong trường hợp anten helical, ta cần biết hệ số tăng của anten để đảm bảo rằng nó đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng.

3. Độ phân cực: Độ phân cực của anten chỉ ra phương hướng mà anten phát ra tín hiệu. Độ phân cực của anten helical thường là phân cực tuyến tính, có nghĩa là tín hiệu được phát ra theo một hướng cụ thể.

4. Điện trở trở kháng (impedance): Điện trở trở kháng của anten là một thôngsố quan trọng để đảm bảo tính hiệu quả của anten trong việc truyền tải và thu sóng tín hiệu.

5. Kích thước vật lý của anten: Kích thước vật lý của anten, bao gồm đường kính và chiều dài của vòng xoắn, ảnh hưởng đến dải tần hoạt động của anten, hệ số tăng, và điện trở trở kháng.

6. Vật liệu và hình dạng của anten: Vật liệu và hình dạng của anten có thể ảnh hưởng đến các thông số trên như hệ số tăng và điện trở trở kháng. Vật liệu thường được sử dụng trong thiết kế anten helical là đồng hoặc nhôm.7. Số vòng xoắn (turns) của anten: Số vòng xoắn của anten helical ảnh hưởng

đến hệ số tăng và độ phân cực của anten. Thơng thường, số vịng xoắn càng lớn thì hệ số tăng càng cao, nhưng độ phân cực sẽ trở nên hẹp hơn.8. Khoảng cách giữa các vòng xoắn: Khoảng cách giữa các vòng xoắn cũng

ảnh hưởng đến hệ số tăng và độ phân cực của anten. Khoảng cách giữa cácvịng xoắn càng lớn thì hệ số tăng càng thấp nhưng độ phân cực càng rộng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

9. Góc nghiêng của anten: Góc nghiêng của anten helical là góc giữa trục củaanten và mặt đất. Góc nghiêng của anten có thể được tinh chỉnh để đạt được hướng phát tín hiệu mong muốn.

10.Độ chính xác của việc lắp ráp: Việc lắp ráp anten helical cần được thực hiện đúng cách và chính xác để đảm bảo tính hiệu quả của anten. Các tham số như khoảng cách giữa các vịng xoắn, kích thước của các vịng xoắn, và góc nghiêng của anten cần được điều chỉnh chính xác

<b>*Thiết kế và chuẩn bị các thơng số cần thiết</b>

-Để anten đạt được chế độ end-fire mode và như vậy sẽ ứng dụng vào thựctiễn nhiều hơn thì khi thiết kế anten cần đạt một số thơng số nhất định như:

+ < �*λ < với �*λ xấp xỉ 1 là tối ưu

+ Khoảng cách (S) giữa hai vòng (turn) là S xấp xỉ * + 12° < pitch angel < 14°

Và để anten làm việc tại tần số từ 2-3 Ghz và G >= 8 dbi em có tham khảo thêm bài báo Helical antenna performance in communications của Maja

Trong đó em tham khảo:

D = 10log 15�( ) ( ) (<small>2</small>∗ ��) G = 15N( ) * ( ) (db) với N là số turns <small>22</small>

C = Pi*D

Các thơng số cịn lại bên trên đã trình bày:

AR = nói lên sự khác biệt phân cực của anten so với phân cực thuần tròn Từ các công thức, đề bài và tham khảo bọn em đưa ra thông số để thiết kế như sau:

Design parameters:

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

L 253.955 mm

<b>2.2, Các bước mô phỏng anten</b>

1, Tạo đáy cho anten Draw tab => cylinderĐặt thơng số như hình

2, Tạo vịng trịn điểm đầu cho anten Draw tab => cirle

Đặt thơng số như hình

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

3, Tạo anten Draw tab => helixĐặt thơng số như hình

4, Tạo ống dẫn

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Draw tab => cylinderĐặt thông số như hình

5, Tạo vật liệu mới Đặt thơng số như hình

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

6,Tạo lớp điện mơi cho ống dẫnDraw tab => cylinder Đặt thông số như hình

7, Tạo dây dẫn bên trong ống dẫn Draw tab => cylinder

Đặt thơng số như hình

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

8, Tạo vòng tròn cho wave portDraw tab => circle

Đặt thơng số như hình

9, Tạo wave portThao tác như hình

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

B10, Tạo hộp bao Đặt thơng số như hình

B11, Cài đặt các thông số

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

II, Kết quả

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

<i><b>Đồ thị Gain</b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<b>CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA ANTEN XOẮN LÒ XO</b>

3.1 Ưu điểm

-

3.3 Ứng dụng

nhận tín hiệu VHF.

các trạm trái đất.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

<b>CHƯƠNG IV: PHÂN CHIA CÔNG VIỆC VÀ TÀI LIỆU</b>

<b>THAM KHẢO</b>

4.1 Phân chia công việc

<b>Công việcNgười thực hiện</b>

Mô phỏng và tính tốn thơng số

Lê Huy Long Nhật, Nguyễn Xn Phương,

Lê Thành Luân

4.2 Tài liệu tham khảo

(PDF) Helical Antenna Performance in Wideband Communications (researchgate.net)

Antenna Theory - Helical (tutorialspoint.com)

</div>