BÀI TẬP LỚN ANTEN TRUYỀN SÓNG ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TS.LÂM HỒNG THẠCH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠN

ANTEN
TRUYỀN SĨNG
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 ()...................................................................4
4. Truyền sóng mặt đất: Anten đặt thấp ()..................................................................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 MƠ PHỎNG ANTEN..................................................10
1. Bài tốn................................................................................................................ 10
2. Phân tích..............................................................................................................10
3. Mơ phỏng với HFSS............................................................................................10
4. Phân tích kết quả..................................................................................................22

2


CHƯƠNG I. LÝ THUYẾT:
TRUYỀN SĨNG MẶT ĐẤT
Mặt đất vốn khơng bằng phẳng, tuy nhiên trong nghiên cứu với các cự ly truyền sóng
khơng dài thì ta coi như là bằng phẳng.
Thông số điện của mặt đất thay đổi theo độ sâu và khoảng cách truyền lan (trong
nghiên cứu lấy thông số điện tương đương).

1. Phương thức truyền sóng
 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 khơng 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)

2. Truyền sóng tầm nhìn thẳng

Miền Fresnel là miền khơng gian quan trọng nhất trong truyền sóng vơ tuyến, bởi
hầu như tồn bộ năng lượng nằm trong miền Fresnel thứ nhất
Do đó, nếu trên đường truyền có tồn tại vật cản, thì chiều cao vật cản sẽ không
được vượt quá 0,6 lần bán kính miền Fresnel thứ nhất.

Tức là

Trong đó là bán kính miền Fresnel thứ nhất, được tính bằng cơng thức
3

3. Truyền sóng mặt đất: Anten đặt cao ()
-

Mặt đất phẳng

Tường tại điểm thu . Eh max khi E1 và E2 cùng pha
Dạng đơn giản (Vedenski):
-

Mặt đất cong

Nếu trường hợp mặt đất cong sẽ ảnh hưởng đến cự li thông tin cực đại tầm nhìn thẳng

Với a=6378km là bán kính trái đất

Nếu mặt đất khơng lý tưởng và có hấp thụ sóng truyền, áp dụng cơng thức :

Với F là ảnh hưởng của mặt đất làm suy hao sóng lan truyền
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 thơng 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 )
4


4. Truyền sóng mặt đất: Anten đặt thấp ()
-

Anten vng góc với mặt đất

-

Anten song song với mặt đất

5


CHƯƠNG II. BÀI TẬP
1. Khảo sát anten mảng N phần tử
Bài 1.
Khảo sát hệ thống bức xạ N phần tử trong 2 trường hợp
a,
b,
(đồng biên, ngược pha) (biến đổi theo quy luật sóng chạy.)
Giải
a, Hàm phương hướng bức xạ tổ hợp chuẩn hóa
với
Hay
Ta có biểu thức cường độ trường bức xạ của hệ thống:

Hướng bức xạ không được xác định với


Như vậy khi N chẵn dễ thấy với bức xạ hệ thống sẽ bằng không.
Hướng bức xạ cực tiểu và cực đại đại xác định với

*
* �=� 4 (m=0,1,2,…)

Tại nhận thấy =0 => Bức xạ đạt cực đại, tương ứng và . m-2 hướng còn lại sẽ là cực
tiểu

6


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 từ
toàn nhà đến anten phát là h=10km. Hỏi chiều cao của anten thu cao bao nhiêu để
tồ nhà khơng làm ảnh hưởng đến việc truyền sóng?
Giải

,

Bán kính miền Fresnel thứ nhất: 31,62 (m) 

7


Sử dụng tam giác đồng dạng có 
Vậy anten thu cần cao ít nhất

3. Bài tập tham khảo
Bài 3.
Tuyến thơng 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 khơng 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 , = ) 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 cơng hưởng tức độ lệch pha : (n
Giải
a, Tính tổn hao truyền song trong không gian tự do trong hai trường hợp tuyến lên và
tuyến xuống.
Tuyến lên:
=6 GHz => = = 0.05 (m)



= 20 log = 20 log = -199 ( dB)

Tuyến xuống:
=3.5 GHz => = c /f=0.085 (m)

 = 20 log = - 194,5 (dB)
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 ?
G1 = 40 dBi = 70 dBm
G2= 37 dBi = 67 dBm
8


c, Coi mặt đất phẳng (R = 1 , = ) 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 cơng hưởng tức độ lệch pha : (n

 k. = n.2
 . = n.2
 . = n.2

Với n = 2,3,4 => Có thể chọn h2 10m, 30m ,49m

9


CHƯƠNG III. THIẾT KẾ MƠ PHỎNG ANTEN
1. Bài tốn
Mơ phỏng anten Dipole dành cho thiết bị di động hoạt động với mạng GSM
900MHz

2. Phân tích
Bước sóng
Với anten Dipole, các thơng số khác sẽ dựa trên lambda
Bán kính dipole = lambda/200
gap = lambda * 0.0125
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)

5. Mô phỏng với HFSS
 Tạo project mới

HFFS cho phép chúng ta định trước các
tham số để dễ dàng tối ưu và thay đổi về

sau. Bằng cách tìm HSFFDesign
Properties

10


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
11


Nhấp đúp vào Cylinder1, đặt tên cho đối tượng này
là dip1, vật liệu là PEC (Perfect Electric Conductor
– dây dẫn điện hồn hảo).
Ngồi 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
12


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.
13


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

14


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

15


 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.

16


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.

17


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

Ở trên thanh cơng cụ, chuyển sang chế độ Face để lựa chọn từng mặt thay cho cả đối
tượng. Click vào biểu tượng ở bên cạnh
Ctrl và chọn tất cả các mặt ở bên phải, OK

, chọn đối tượng boundary đó, giữ

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

18


 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

19


Để xem đáp ứng tần số của cấu trúc, phải xác định tần số quét. Từ của sổ Project chọn
Setup1  Add Sweep.

20


Điền các thơng số

Check lại để xem có lỗi gì không

21


Nếu khơng thì sẽ tiến hành mơ 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

22


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.

23


 Hệ số sóng đứng
Tương tự như S(1,1) nhưng lựa chọn:

Hệ số sóng đứng điện áp tại tần số mơ 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
khơng chấp nhận được.

24


 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

25