Luận văn Phân tích và thiết kế giàn Anten Quasi-Yagi ứng dụng cho hệ thống Ra-đa ở dải sóng milimét

Nội dung tài liệu: Luận văn Phân tích và thiết kế giàn Anten Quasi-Yagi ứng dụng cho hệ thống Ra-đa ở dải sóng milimét

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ________________________ NGUYỄN THỊ MINH THUỶ Phân tích và thiết kế giàn anten quasi- Yagi ứng dụng cho hệ thống ra-đa ở dải sóng milimét LUẬN VĂN THAC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN HÀ NỘI - 2010
2. LỜI CAM ĐOAN Ngoài sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của Giảng viên TS. Đào Ngọc Chiến, cuốn luận văn này là sản phẩm của quá trình tìm tòi, nghiên cứu và trình bày của tác giả về đề tài trong luận văn. Mọi số liệu, quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng quy định. Vì vậy, tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình. Hà nội, tháng 10 năm 2010 Tác giả Nguyễn Thị Minh Thủy 1
3. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1 MỤC LỤC...................................................................................................................2 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................4 DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................5 LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................8 Chương 1: TỔNG QUAN .........................................................................................10 1.1. Nhu cầu mạng không dây hiện nay................................................................10 1.2. Động lực phát triển.........................................................................................12 1.2.1. Dải tần số và môi trường truyền sóng.....................................................12 1.2.2. Đặc điểm dải sóng milimét .....................................................................14 1.2.3. Một số ứng dụng công nghệ sóng milimét..............................................15 1.3. Kết quả mong muốn.......................................................................................22 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................................................24 2.1. Nhắc lại lý thuyết trường ...............................................................................24 2.1.1. Phương trình Maxell và điều kiện biên...................................................24 2.1.2. Phương trình thế......................................................................................25 2.1.3. Điều kiện bờ............................................................................................29 2.1.4. Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn ...........................................30 2.2. Lý thuyết chung về anten. ..............................................................................40 2.2.1. Khái niệm về anten..................................................................................40 2.2.2. Những đặc trưng cơ bản của anten..........................................................41 2.2.3. Các hệ thống anten..................................................................................47 2.3. Giới thiệu anten vi dải....................................................................................48 2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dải ...................................48 2
4. 2.3.2. Tính phân cực của anten vi dải ...............................................................53 2.3.3. Băng thông của anten vi dải....................................................................54 2.3.4. Ưu, nhược điểm của anten vi dải và xu hướng phát triển.......................54 2.4. Giới thiệu về anten mảng ...............................................................................55 2.4.1. Các tham số cơ bản của một anten mảng................................................55 2.4.2. Phân loại anten mảng ..............................................................................57 2.4.3. Các định nghĩa, lý thuyết chung của anten mảng ...................................62 Chương 3 : PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ GIÀN ANTEN QUASI-YAGI DẢI TẦN 30 GHZ......................................................................................................................68 3.1. Giới thiệu anten Yagi-Uda truyền thống........................................................68 3.2. Lý thuyết anten quasi-Yagi............................................................................71 3.3. Phân tích và thiết kế anten mảng quasi-Yagi dải tần 30 GHZ.......................73 3.3.1. Thiết kế anten quasi-Yagi dải tần 30 GHZ .............................................74 3.3.2. Thiết kế bộ Feed cho anten mảng quasi-Yagi - 30 GHZ ........................78 3.3.3. Thiết kế anten mảng quasi-Yagi dải tần 30 GHZ ...................................79 3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận .....................................................................79 3.4.1. Giới thiệu công cụ mô phỏng - Ansoft HFSS.........................................79 3.4.2. Quá trình phân tích thích ứng..................................................................81 3.4.3. Kết quả mô phỏng ...................................................................................86 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................96 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT .....................................................98 3
5. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BEM Boundary Element Method Phương pháp phần tử biên BSC Base Station Control Trạm điều khiển gốc BTS Base Transceiver Station Trạm phát sóng gốc CPS Coplanar stripline Đường vi dải đồng phẳng CPW coplanar waveguide ống dẫn sóng đồng phẳng FDTD Finite difference time domain Biến đổi hữu hạn miền thời gian FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn IF Intermediate Frequence Tần số trung tần LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ LOS Light of sight Tầm nhìn thẳng mm Millimeter milimét MoM method of moment Phương pháp mô-men MSA Microstrip Anten anten vi dải MW Millimeter Wave sóng millimét MWT Millimeter wave technology Công nghệ sóng millimét RF Radio Frequence Sóng vô tuyến SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín trên tạp V2V Vehicle to Vehicle xe với xe WLAN Wireless Local Area Network Mạng vô tuyến cục bộ WPAN Wireless Personnal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: So sánh giữa phương pháp mô-men và phương pháp phần tử hữu hạn...39 Bảng 3.1: Thông số kích thước của anten truyền thống (đơn vị µm) .......................77 4
6. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Tốc độ dữ liệu, phạm vi chuẩn WLAN và WPAN và ứng dụng..............12 Hình 1.2: Phổ tần số..................................................................................................12 Hình 1.3: Các phương thức truyền sóng ...................................................................13 Hình 1.4: Sóng không gian và chân trời vô tuyến.....................................................14 Hình 1.5: Hệ thống giao tiếp V2V ............................................................................16 Hình 1.6: Hệ thống công nghệ “Nút giao nhau thông minh”....................................17 Hình 1.7: Mô hình kết nối BTS – BSC sử dụng MWT ............................................18 Hình 1.8: Mô hình minh họa thông tin vệ tinh tại thành phố....................................19 Hình 2.1: Điều kiện biên của E và B.........................................................................29 Hình 2.2: Những phần tử hữu hạn điển hình ............................................................32 Hình 2.3: (a) Miền nghiệm; (b) Sự rời rạc hóa phần tử hữu hạn miền nghiệm ........32 Hình 2.4: Phần tử tam giác điển hình........................................................................34 Hình 2.5: Rời rạc hóa miền nghiệm không đồng nhất. .............................................34 Hình 2.6: Tổng hợp ba phần tử i-j-k .........................................................................35 Hình 2.7: Miền nghiệm đối xứng qua trục................................................................37 Hình 2.8: Cách chia miền nghiệm thành các phần tử ...............................................38 Hình 2.9: Hệ thống anten thu và phát .......................................................................40 Hình 2.10: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực...................................................44 Hình 2.11: Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc...................................................45 Hình 2.12: Cấu trúc anten vi dải và hệ tọa độ[6 ] .....................................................48 Hình 2.13: Các hình dạng của anten vi dải dạng tấm. ..............................................49 Hình 2.14: Cấu trúc anten dipole vi dải. ...................................................................50 Hình 2.15: Các dạng cơ bản của anten khe vi dải.....................................................50 Hình 2.16: Các hình dạng của anten vi dải sóng chạy. .............................................50 Hình 2.17: Tiếp điện bằng cáp đồng trục..................................................................51 Hình 2.18: Tiếp điện bằng đường vi dải ..................................................................51 Hình 2.19: Tiếp điện bằng ghép khe[6] ....................................................................52 Hình 2.20: Trường bức xạ E và H của anten vi dải.[6].............................................52 5
7. Hình 2.21: Tiếp điện bằng 1 đường vi dải [4]...........................................................53 Hình 2.22: Tiếp điện bằng 2 đường vi dải vào hai cạnh của anten [4] .....................53 Hình 2.23: Một mảng tuyến tính cách đều................................................................58 Hình 2.24: Mảng vòng với k phần tử cách đều.........................................................59 Hình 2.25: Mảng phẳng hình chữ nhật......................................................................60 Hình 2.26 : Mảng phẳng hình lục giác......................................................................61 Hình 2.27: Mạng điều khiển búp sóng tương tự .......................................................63 Hình 2.28: Anten mảng vi dải gồm bốn phần tử.......................................................64 Hình 2.29: Mảng pha tuyến tính ...............................................................................64 Hình 3.1: Anten Yagi - Uda (Anten Dẫn xạ )...........................................................69 Hình 3.2: Mô hình anten Yagi-Uda và quasi-Yagi ...................................................72 Hình 3.3: Mô hình thiết kế chi tiết anten quasi -Yagi...............................................75 Hình 3.4: a) bộ chuyển đổi λ/4 ; b) bộ chia tín hiệu đầu vào..................................76 Hình 3.5: Bộ trễ 1800; a) góc chuyển 900 ; b) góc chuyển 450 .............................76 Hình 3.6: Kết nối bộ trễ và CPS................................................................................77 Hình 3.7: Mô hình thiết kế và mô phỏng anten quasi-Yagi......................................77 Hình 3.8: Mô hình thiết kế bộ Feed cho anten mảng quasi-Yagi .............................78 Hình 3.9: Mô phỏng bộ Feed cho .............................................................................78 Hình 3.10: Mô hình thiết kế anten mảng quasi-Yagi................................................79 Hình 3.11: Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS:.................................................80 Hình 3.12: Các bộ quét tần số ...................................................................................82 Hình 3.13: Các nguồn kích thích...............................................................................83 Hình 3.14: Các điều kiện biên...................................................................................84 Hình 3.15: Loại lời giải trong HFSS.........................................................................84 Hình 3.16: Sơ đồ khối thực hiện mô phỏng của HFSS.............................................85 Hình 3.17: Mô phỏng hình ảnh 3D - anten quasi-Yagi 30 GHZ ..............................86 Hình 3.18: Mô phỏng bức xạ trường E, anten quasi-Yagi 30 GHZ..........................86 Hình 3.19: Mô phỏng bức xạ dòng mặt, anten quasi-Yagi 30 GHZ.........................86 Hình 3.20: Đồ thị tổn hao ngược S11 của anten quasi-Yagi -30 GHZ.....................87 Hình 3.21: Đồ thị bức xạ mặt phẳng E và H anten quasi-Yagi -30 GHZ................87 6
8. Hình 3.22: Đồ thị bức xạ phân cực thẳng và ngang, anten quasi-Yagi 30 GHZ ......87 Hình 3.23: Mô phỏng bức xạ trường E bộ feed, anten quasi-Yagi 30 GHZ.............88 Hình 3.24: Mô phỏng dòng mặt, bộ feed, anten quasi-Yagi 30 GHZ.......................88 Hình 3.25: Hệ số truyền đạt của bộ feed -30 GHZ ..................................................88 Hình 3.26: Mô hình 3D, anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ........................................89 Hình 3.27: Mô phỏng bức xạ trường E, anten mảng quasi -Yagi 30 GHZ...............89 Hình 3.28: Mô phỏng bức xạ dòng mặt, anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ...............89 Hình 3.29: Đồ thị tổn hao ngược S11, anten mảng quasi –Yagi 30 GHZ ................90 Hình 3.30: Đồ thị bức xạ mặt phẳng E anten mảng quasi-Yagi ...............................90 Hình 3.31: Bức xạ phân cực thẳng và ngang trong mặt phẳng E .............................90 Hình 3.32: Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng H, anten mảng quasi –Yagi 30GHZ .....91 Hình 3.33: Đồ thị bức xạ phân cực thẳng và ngang trong mặt phẳng H...................91 Hình 3.34: Hình ảnh 3D - Độ tăng ích anten mảng quasi – Yagi.............................91 Hình 3.35: Hình ảnh 3D anten mảng quasi-Yagi - 30 GHZ nghiêng ± 450..............92 Hình 3.36: Bức xạ trường E, anten mảng quasi -Yagi 30 GHZ nghiêng ± 450 ........92 Hình 3.37: Bức xạ dòng mặt, anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ nghiêng ± 450 ........92 Hình 3.38: Tổn hao ngược S11 anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ nghiêng ± 450 .....93 Hình 3.39: Độ tăng ích anten mảng quasi-Yagi-30 GHZ nghiêng góc ± 450 ...........93 Hình 3.40: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ, góc 00 .........................93 Hình 3.41: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ nghiêng góc 450 ...........94 Hình 3.42: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ, góc 900 ........................94 Hình 3.43: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ, góc -450 .......................94 7
9. LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội nhu cầu thông tin liên lạc của con người là rất lớn, các hệ thống thông tin liên lạc đã và đang góp phần đặc biệt quan trọng vào quá trình phát triển kinh tế, xã hội, quốc phòng và an ninh của mọi quốc gia, đặc biệt trong xu thế toàn cầu hóa như hiện nay. Trong các hệ thống thông tin vô tuyến vai trò của anten là vô cùng quan trọng, nó quyết định đến chất lượng của kênh truyền sóng. Quá trình thu hoặc phát tín hiệu bên cạnh tín hiệu hữu ích còn có rất nhiều các loại nhiễu và tạp âm khác tới thiết bị thông tin với biên độ, tần số, hướng tới, thời gian khác nhau có thể dẫn tới mất tin hay gián đoạn thông tin. Do đó, việc nghiên cứu về anten mảng có ý nghĩa hết sức quan trọng vì đầu ra anten mảng về lý tưởng sẽ tạo ra một “búp sóng không” về phía nguồn nhiễu và búp sóng chính về phía tín hiệu, dẫn đến quá trình triệt nhiễu được dễ dàng, qua đó quyết định đến chất lượng thu phát tín hiệu của hệ thống thông tin. Gần đây, các hệ thống ra-đa hoạt động ở dải sóng milimét sử dụng cho các phương tiện cơ giới đã và đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu cũng như các hãng sản xuất. Các hệ thống ra-đa này có khả năng hỗ trợ con người trong điều kiện thời tiết xấu qua đó giúp giảm thiểu các nguy cơ gây tai nạn cho các phương tiện cơ giới. Hệ thống ra-đa nói trên sử dụng sóng phân cực tuyến tính và nghiêng một góc ± 45 độ để tránh can nhiễu đến những phương tiện lân cận. Anten cho hệ thống ra-đa này đòi hỏi phải có hiệu suất bức xạ cao đồng nghĩa với hệ số tăng ích lớn để có thể dò tìm được những vật thể từ khoảng cách xa, có kích thước nhỏ, và dễ dàng chế tạo. Xuất phát từ những cơ sở khoa học và nhu cầu đòi hỏi từ thực tiễn, luận văn cao học với tên đề tài:“Phân tích và thiết kế giàn anten quasi-Yagi ứng dụng cho hệ thống ra-đa ở dải sóng milimét” đã bước đầu xây dựng giải pháp thực hiện nhằm đạt được mục tiêu cụ thể như sau: • Nghiên cứu tổng thuật các tài liệu kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến ở dải sóng milimét (≥ 30GHz). 8
10. • Tìm hiểu và sử dụng thành thạo công cụ phân tích và thiết kế anten dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn miền tần số. • Phân tích và thiết kế giàn anten quasi-Yagi ở tần số 30 GHz cho hệ thống ra- đa trên các phương tiện cơ giới. Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế, nên những sai sót trong quá trình làm luận văn là khó tránh khỏi. Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, nhận xét của các thầy cô giáo nhằm giúp cho luận văn được hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn tới thầy TS. Đào Ngọc Chiến đã định hướng, tạo điều kiện và hướng dẫn nhiệt tình giúp cho Tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi cũng chân thành cảm ơn bạn Bùi Văn Hà và các bạn bè tại phòng nghiên cứu và phát triển truyền thông (CRD), cũng như các thầy cô trong khoa Điện tử -Viễn Thông đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện. Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Người thực hiện luận văn NGUYỄN THỊ MINH THỦY 9