BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN AN THUYÊN NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ANTEN CHO THÔNG TIN HÀNG HẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN AN THUYÊN NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ANTEN CHO THÔNG TIN HÀNG HẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM THÀNH CÔNG Hà Nội – 2016 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG BIỂU v MỞ U CHƯ NG 1: T NG QUAN VỀ ANTEN H THỐNG TH NG TIN H NG HẢI V ANTEN D NG TRONG H NG HẢI 1.1 Tổng quan anten 1 Sơ lược lịch sử phát triển Anten 1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát 1.1.3 Vị trí Anten kỹ thuật vô tuyến điện 1.1.4 Những yêu cầu Anten 1 Tính định hướng 1.1.4.2 Phối hợp trở kháng 1.1.4.3 Dải tần 1.1.4.4 Tính phân cực 1.1.5 Các lo i Anten 1.2 Lý thuyết Anten 1.2.1 Quá trình x sóng điện từ 1.2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ 11 1.2.3 Dải tần dải tần công tác 16 1.2.3.1 Dải thông tần 16 1.2.3.2 Dải tần công tác 16 1.2.4 Các tham số Anten 17 1.2.4.1 Hệ số định hướng 17 1.2.4.2 Hệ số t ng ích 19 B ng thông 21 1.2.4.4 Phân cực 22 1.2.4.5 Trở kháng vào 26 1.2.4.6 Tỷ số sóng đứng điện áp 27 1.3 Hệ thống thông tin hàng hải 27 CHƯ NG ANTEN MONOPOLE 32 2.1 Giới thiệu anten monopole 32 Luận v n th c s i 2.2 Cấu t o nguyên lý ho t động 32 2.3 C c tham số anten 33 Hàm hướng tính 33 Trường x 33 2.3.3 Công suất x điện trở x hệ số tính hướng 36 2.3.4 Trở kháng sóng anten monopole 39 2.3.5 Chiều dài hiệu dụng Anten monopole 42 2.4 Kỹ thuật cấp nguồn cho anten 43 CHƯ NG PHÂN TÍCH M PHỎNG ANTEN MONOPOLE HOẠT ỘNG Ở BĂNG T N VHF TẠI T N SỐ 160MHZ 51 3.1 Phần mềm mô HFSS 51 3.2 Mục đích thiết kế 51 3.3 Thiết kế 52 3.4 Mô 56 KẾT LUẬN 60 T I LI U THAM KHẢO 61 Luận v n th c s ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TM Transverse Magnetic Wave Sóng từ ngang TE Transverse Elctric Wave Sóng điện ngang TEM Transverse Electromagnetic Wave Sóng điện từ ngang 2D 3D Two Dimensional Three Dimensional HFSS High Frequency Structure Simulator BW Bandwidth VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hai chiều Ba chiều Bộ mô cấu trúc tần số cao Băng thông Tỷ số điện áp sóng đứng MSI Maritime Safety Information Luận v n th c s Thông tin an toàn hàng hải iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Sơ đồ hệ thống thông tin Hình Các loại anten Hình Hệ thống xạ Hình Ví dụ mạch dao động tập trung 10 Hình Sự quay sóng điện từ phẳng phân cực ellip hàm theo thời gian 23 Hình Cấu trúc anten monopole 32 Hình Hình Đồ thị phân tích trường 34 Hình Các dạng đồ thị phương hướng anten 35 Hình Xác định công suất xạ anten 37 Hình 10 Sự phụ thuộc điện trở xạ theo chiều dài tương đối anten 39 Hình 11 Sự phụ thuộc ZvA vào chiều dài tương đối anten 42 Hình 12 Sơ đồ mắc trực tiếp anten cáp đồng trục, thiết bị chuyển đổi 43 Hình 13 Cấu trúc biến đổi đối xứng dùng đoạn cáp chữ U 45 Hình 14 Cấu trúc biến đổi đối xứng sử dụng cốc kim loại 47 Hình 15 Cấu trúc biến đổi đối xứng kiểu khe 48 Hình 16 Cấu trúc biến đổi đối xứng dùng cáp phụ 49 Hình 17 Giao diện phần mềm HFSS 51 Hình 18 Mô hình anten monopole dạng xoắn .54 Hình 19 Mô hình xoắn dây 54 Hình 20 Mô hình anten mô 55 Hình 21 Cấu trúc hình học Anten Monopole sử dụng xoắn dây 55 Hình 22 Cửa sổ chương trình mô HFSS 56 Hình 23 b) Trở kháng đầu vào anten 57 Hình 24 Đồ thị Radition Pattern 58 Hình 25 Đồ thị xạ dạng 3D 58 Hình 26 Hiệu suất antenna 59 Luận v n th c s iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Các thông số anten 53 Luận v n th c s v MỞ ĐẦU Thông tin xuất từ lâu từ người biết dùng lửa, tiếng động âm thanh, kí hiệu tượng hình để liên l c trao đổi Trải qua trình phát triển, nhu cầu thông tin liên l c người đòi hỏi phù hợp với thực tế nhanh, x c xa N m 1894 Maxwell đưa lý thuyết d ng vật chất lan truyền xa chân không sóng điện từ thông tin khắc phục h n chế khoảng c ch địa lý óng góp vào ph t triển m nh m thông tin li n l c không kể tới ph t triển c c thiết bị thu ph t khả n ng truyền lan sóng điện từ l bất k hệ thống truyền dẫn thông tin li n l c sử dụng phương thức truyền lan sóng điện từ C c thiết bị thu ph t truyền dẫn sóng điện từ gọi chung Anten Anten xuất từ lâu nói có ni n đ i với thông tin liên l c đời ph t triển ứng dụng c c l nh vực kh c hàng hải l nh vực không ngo i lệ Một số nghi n cứu phát triển anten monopole cho thông tin Hàng Hải ặc điểm anten monopole phù hợp với hệ thống thông tin hàng hải, dễ dàng tích hợp với hệ thống Hàng hải sử dụng rộng rãi công nghệ di động, m ng WLAN, anten thông minh Luận v n th c s CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN, HỆ THỐNG THÔNG TIN HÀNG HẢI VÀ ANTEN DÙNG TRONG HÀNG HẢI 1.1 Tổng quan anten 1.1.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển Anten Anten hệ thống cho phép truyền nhận n ng lượng điện từ Anten xem c c thiết bị dùng để truyền n ng lượng trường điện từ máy phát máy thu mà không cần bất k phương tiện truyền dẫn tập trung như: c p đồng, ống dẫn sóng sợi quang Trong nhiều ứng dụng, anten c nh tranh với c c phương tiện truyền dẫn kh c để phát chuyển tải n ng lượng trường điện từ Thông thường suy hao trường điện từ vật liệu s t ng nhanh theo tần số iều hiểu ngầm rằng, tần số t ng việc dùng phần dẫn sóng vật liệu s thuyết phục hiệu việc chuyển tải n ng lượng trường điện từ ( iều có ngh a hiệu suất anten t ng theo tần số) Do thực tế anten ưa chuộng việc chuyển tải c c trường điện từ tần số cao Sóng điện từ, tảng lý thuyết anten xây dựng tr n sở phương trình điện học từ học Maxwell hệ thống cách khái quát toàn lý thuyết thành hệ phương trình tiếng quan trọng: hệ phương trình Maxwell Một vài mốc quan trọng lịch sử phát triển anten: N m 1886: nhà vật lý người ức Hemrich Rudoff Hertz lý luận thực nghiệm chứng tỏ dùng m ch dao động hở với lưỡng cực Hertz vùng xa lưỡng cực s hình thành trường phát x Sau hoàn thành dụng cụ để chứng minh thí nghiệm Hertz n m 1897 Popob nhà phát minh vô tuyến điện người Nga dùng c c dụng cụ làm phương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn có khả n ng truyền tín hiệu khoảng cách dặm Luận v n th c s N m 1901: Guglielmo Marconi truyền tín hiệu khoảng cách lớn Hệ thống ho t động tần số khoảng 60 KHz N m 1916: Trước n m 1916 hầu hết thông tin vô tuyến chủ yếu điện báo Trong n m 1916 lần sử dụng tín hiệu điều chế bi n độ để truyền tín hiệu tho i qua sóng vô tuyến N m 1930: Người ta t o nguồn phát klystron magnetron có khả n ng ph t tín hiệu với tần số lên đến GHz (gọi dao động cao tần) Từ 1940 đến nay: Anten ứng dụng rộng rãi hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thi n v n vô tuyến điều khiển từ xa … 1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát Ngày nay, với phát triển kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên l c dùng anten sử dụng rộng rãi nhiều l nh vực Hình 1 sơ đồ hệ thống thu ph t đơn giản Ở hệ thống ph t anten đóng vai trò thành phần x sóng điện từ, chuyển tín hiệu điện thành n ng lượng điện từ lan truyền không gian Khi đến anten thu n ng lượng điện từ biến đổi thành tín hiệu điện máy thu, tín hiệu trả d ng ban đầu Luận v n th c s phía Hai cốc kim lo i phía tr n gắn liền với thành ống trụ kim lo i có lỗ hở để đưa dòng điện tiếp cho chấn tử Bây l i coi có hai đo n ống đồng trục mà vỏ cốc kim lo i ruột vỏ c p đồng trục tiếp điện (phần dưới) vỏ đo n cáp phụ (phần trên) Hình 14 Cấu trúc biến đổi đối xứng sử dụng cốc kim loại Hai đo n ống đồng trục có độ dài ngắn m ch đầu cuối (đ y cốc) Dòng điện fide tiếp điện s tổ hợp dòng I1 (chảy nhánh chấn tử) dòng I’1 chảy vào ống đồng trục tr n Dòng điện mặt vỏ cáp tiếp điện phân nhánh thành dòng I2 (chảy nhánh thứ hai chấn tử) dòng I’2 chảy vào ống đồng trục phía Hai ống đồng trục phía tr n phía có độ dài nên trở kh ng vào có gi trị Do I’1 = I’2 kết s nhận dòng điện tiếp cho hai nhánh chấn tử I1 = I2 Hình v 14c sơ đồ chấn tử đối xứng kiểu cốc nhánh chấn tử vỏ cốc kim lo i λ/4 tiếp điện dòng điện chảy mặt cáp nh nh đo n ống kim lo i hình trụ có đường kính với vỏ cốc kim lo i tiếp điện dòng chảy lõi cáp Luận v n th c s 47  Bộ biến đổi đối xứng kiểu khe Một lo i cấu trúc khác thiết bị biến đổi đối xứng biến đổi khe v hình v Hình v 15a khe khe không đối xứng hình v 15b khe đối xứng Trong c c sơ đồ vỏ c p đồng trục đo n cuối xẻ làm hai nửa ng n cách khe hẹp Dây dẫn c p nối ngắn m ch với hai nửa vỏ cáp đầu cuối (trong trường hợp khe không đối xứng), nối ngắn m ch khoảng đo n c p có khe (trong trường hợp khe đối xứng) Hai nhánh chấn tử đối xứng nối vào hai nửa vỏ cáp Hình 15 Cấu trúc biến đổi đối xứng kiểu khe Biết sóng truyền lan c p đồng trục lo i sóng TEM, có dòng điện chảy dọc Vì khe đặt dọc theo trục cáp s không cắt đường sức dòng điện Nhưng nối ngắn m ch dây ngh a ngắn m ch sóng TEM đo n dây dòng điện ngang chảy đo n dây s trở thành nguồn t o sóng bậc cao cáp (chủ yếu sóng H11) Sóng bậc cao thường không truyền lan c p có bước sóng tới h n nhỏ dòng điện ngang xuất kèm theo với sóng s kích thích cho khe dọc vỏ cáp Kết mặt vỏ c p đồng trục s xuất dòng điện ngang (hình v 15c) Khi mắc hai chấn tử vào hai nửa vỏ vỏ c p đồng trục ng n c ch khe xem xem hai nh nh đường dây song hành Nếu Luận v n th c s 48 độ dài khe chọn λ/4 (đối với khe không đối xứng) λ/2 (đối với khe đối xứng) trở kháng vào t i hai điểm mắc chấn tử s lớn vô không ảnh hưởng đến tính đối xứng chấn tử Sơ đồ dùng khe nửa sóng có ưu điểm so với sơ đồ khe phần tư sóng không đối xứng tr nh bực x từ đầu cuối c p đồng trục ồng thời, việc phối hợp trở kháng fide cung cấp chấn tử thực dễ dàng cách chọn vị trí thích hợp điểm ngắn m ch dây  Bộ biến đổi đối xứng dùng cáp phụ Là kết cấu kh đơn giản cho phép biến đổi đối xứng tốt dải sóng mét đ ximet Nguy n lý làm việc biến đổi đối xứng lo i giải thích qua ví dụ hình 16a Vỏ c p đống trục tiếp điện đo n cáp phụ có kích thước giống t o thành vòng khuy n mà đo n cáp phụ đo n gián tiếp điện có độ dài Hình 16 Cấu trúc biến đổi đối xứng dùng cáp phụ Luận v n th c s 49 T i chỗ hở vòng khuyên, dây dẫn c p đồng trục nối với đo n cáp phụ Chấn tử mắc vào hai điểm a – b t i khoảng hở hai nửa vòng khuy n Dòng điện chảy từ mặt vỏ cáp tiếp điện s phân nhánh t i a thành dòng I1 chảy vào nhánh chấn tử dòng I’1 chảy mặt vỏ cáp tiếp điện Dòng chảy vào dây cáp tiếp điện s tổ hợp dòng I2 chảy nhánh thứ hai chấn tử vòng I’2 chảy từ mặt đo n cáp phụ tới Vì dòng điện chảy dây mặt cỏ c p đồng trục có giá trị nên: I1  I1'  I  I 2' Dòng I’1 I’2 có giá trị so đối xứng hình học vòng khuyên tải mắc vào Từ ta có dòng I1 = I2 ngh a dòng điện tiếp cho hai nhánh chấn tử s có bi n độ Như biến đổi đối xứng dùng đo n cáp phụ có tính đến tổn hao vật dẫn trở kháng vào t i a – b s kháng gần trở kháng vào đường dây song hành nối tắt có độ dài nửa độ dài vòng khuyên  trở kháng vào vòng khuyên s lớn, không ảnh hưởng tới tải, đồng thời dòng I’1 I’2 s nhỏ khiến coi dòng điện tiếp cho hai nhánh chấn tử dòng điện chảy dây cáp tiếp điện Trong thực tế, biến đổi đối xứng dùng đo n cáp phụ thực d ng đo n cáp thẳng hình v 16b Trong trường hợp này, vỏ đo n cáp phụ vỏ cáp tiếp điện có đường kính nhau, t o thành đo n dây song hành ngắn m ch đầu cuối Nguyên lý biến đổi đối xứng kết cấu tương tự nguy n lý kết cấu vòng khuy n khảo sát Nếu độ dài đo n cáp phụ  trở kháng vào t i a – b s lớn vô hai nhánh chấn tử s tiếp điện đối xứng dòng điện chảy dây dây cặp tiếp điện Kết luận chƣơng 2: Trong chương ta tìm hiểu anten monopole Phân tích cấu t o nguyên lý ho t động đ nh gi c c tham số anten monopole với c c k thuật cấp nguồn cho anten monopole Luận v n th c s 50 CHƢƠNG PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG ANTEN MONOPOLE HOẠT ĐỘNG Ở BĂNG TẦN VHF TẠI TẦN SỐ 160MHZ 3.1 Phần mềm mô HFSS HFSS (Hight Frequency Structure Simulator) phần mềm mô trường điện từ theo phương ph p toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất k thiết bị thụ động 3D Ưu điểm bật có giao diện người dùng đồ họa Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D tự động hóa (tự động tìm lời giải) môi trường dễ dàng để học lời giải cho c c to n điện từ 3D thu cách nhanh chóng xác Hình 17 Giao diện phần mềm HFSS 3.2 Mục đích thiết kế Ngày với ph t triển nghành hàng hải y u cầu thông tin hàng hải ngày cao ể nâng cao chất lượng m ng lưới thông tin hàng hải phục vụ li n l c c c tàu thuyền tốt bảo đảm an toàn l nh vực người ta trọng cải thiện thu ph t lắp đặt tr n tàu thuyền Trong thu phát tín hiệu anten đóng vai trò quan trọng, để cải Luận v n th c s 51 thiện chất lượng thu ph t số biện ph p trọng ưu ti n cải thiện chất lượng anten Trong ph m vi luận v n s phân tích, thiết kế, mô anten monopole ho t động 160Mhz, phục vụ cho hệ thống thông tin Hàng hải 3.3 Thiết kế tưởng: Thiết kế Anten sử dụng thông tin hàng hải Lý lựa chọn: - Lựa chọn thiết kế Anten ho t động c c b ng tần quy định dùng thông tin hàng hải: lựa chọn thiết kế Anten ho t động tần số 160 MHZ nằm b ng tần VHF dùng thông tin hàng hải ứng dụng c c trang thiết bị nhằm phục vụ c c mục đích li n l c hàng hải sau: + Thiết bị vô tuyến điện Thoại VHF: Ho t động tr n dải tần 156 -174 MHz c c k nh song công cho việc li n l c tàu - bờ c c k nh đơn công cho tàu - tàu gọi thường tàu - bờ Cự ly li n l c xa khoảng 30 đến 40 hải lý phụ thuộc độ cao anten + Thiết bị VHF DSC Ho t động tr n k nh 70 VHF dùng cho b o động cấp cứu cho gọi thường + Vô tuyến Thoại cầm tay - VHF ược y u cầu cho c c thiết bị cứu hộ vô tuyến từ xuồng cứu sinh ho t động TKCN - Lựa chọng thiết kế lo i Anten đơn giản có khả n ng ứng dụng cao: lựa chọn thiết kế anten Monopole lo i anten đơn giản việc thiết kế kích thước nhỏ gọn dễ dàng gắn tr n c c thiết bị cầm tay di chuyển Luận v n th c s 52 Bài to n đặt ra: Thiết kế anten monopole ho t động t i tần số 160 Mhz, với chiều dài l = λ/4 với thành phần x chấn tử đơn cực cấp nguồn c p đồng trục, hình d ng anten dây đồng tiếp điện đầu, dây dẫn xoắn để làm giảm chiều dài dây Bảng Các thông số anten Tần số cộng hưởng ường kính dây dẫn Chiều dài xoắn dây ường kình vòng xoắn 160 Mhz mm 25 mm mm Tổng chiều dài dây dẫn 375 mm Phương ph p tiếp điện Sử dụng c p đồng trục Số vòng xoắn vòng Luận v n th c s 53 Hình 18 Mô hình anten monopole dạng xoắn Hình 19 Mô hình xoắn dây Các thông số theo (hình 19) H chiều dài ống dây, S chiều dài hai vòng xoắn D đường kính vòng xoắn Luận v n th c s 54 Hình 20 Mô hình anten mô Hình 21 Cấu trúc hình học Anten Monopole sử dụng xoắn dây Anten monopole thiết kế với chất liệu đồng, anten với chiều dài dây dẫn L1 = 150mm, L2 = 200m, chiều dài xoắn dây H = 25 mm xoắn dây có Luận v n th c s 55 c c kích thước chiều dài hai vòng xoắn S = 5mm đường kính vòng xoắn 7mm số vòng xoắn 3.4 Mô Sau thiết lập thông số cần thiết thiết kế phần mềm HFSS ta ch y mô thu kết sau: Cấu trúc chiều anten thực mô phỏng: Hình 22 Cửa sổ chương trình mô HFSS Luận v n th c s 56 thị hệ số phản x S11 trở kh ng đầu vào a) Tham số tán xạ S11 Hình 23 b) Trở kháng đầu vào anten Hình 23(a, b) thể b ng tần giá trị trở kh ng đầu vào anten Từ kết thấy, anten cộng hưởng tốt t i tần số trung tâm 160MHz b ng tần 10MHz từ 156-166MHz dải VHF Trở kh ng đầu vào anten đ t 50ohm y u cầu thiết kế đặt Luận v n th c s 57 Hình 24 Đồ thị Radition Pattern thị x d ng 3D: Hình 25 Đồ thị xạ dạng 3D Luận v n th c s 58 Hiệu suất antenna Hình 26 Hiệu suất antenna Kết mô far-field thể hình 24 - 26 cho thấy anten có x đẳng hướng t i tần số trung tâm 160MHz Hiệu suất anten đ t cao lớn 90% Kết cho thấy, anten thiết kế đ t yếu tố kỹ thuật đặt  Kết luận chƣơng 3: Trong chương mô anten monopole phần mềm HFSS, phân tích, tối ưu hóa anten monopole đưa c c kết mục đích thiết kế đặt Các kết mô cho thấy thiết kế anten monopole ho t động b ng tần 160 MHZ phù hợp sử dụng thông tin hàng hải Luận v n th c s 59 KẾT LUẬN ề tài nghiên cứu, phân tích mô Anten cho thông tin Hàng hải giải số việc sau:  Tìm hiểu lý thuyết anten mô hình phân tích anten  Xây dựng lý thuyết anten monopole  Thiết kế anten monopole hình d ng m ch xoắn với phối hợp trở kháng tương ứng  Mô anten monopole thiết kế phần mềm HFSS để đ t kết Tuy nhi n điều kiện h n chế n n đề tài dừng việc mô mà chưa thể tiến hành làm thực tế để đo đ c kiểm chứng kết chương trình mô Luận v n th c s 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh “Lý thuyết kỹ thuật Anten” XB KHKT – 2007 [2] Constantine A Balanis “Antenna Theory – Analysis and Design” John Wiley & Sons, Inc [3] Chang, K., Kim, H., and Yoon, Y.J.: "A triple-band printed dipole antenna using parasitic elements", Microw Opt Technol Lett., vol.47, no.3, pp 221–223, 2005 [4] D M Pozar and D H Schaubert “Microstrip Antennas” IEEE Press, 1995 [5] J.M Floc'h, J.M Denoual, K Sallem: "Design of printed dipole with reflector and multi directors", LAPC 2009 Loughborough, UK [6] http://www.ansys.com/ Luận v n th c s 61 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN AN THUYÊN NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ANTEN CHO THÔNG TIN HÀNG HẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG... QUAN VỀ ANTEN, HỆ THỐNG THÔNG TIN HÀNG HẢI VÀ ANTEN DÙNG TRONG HÀNG HẢI 1.1 Tổng quan anten 1.1.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển Anten Anten hệ thống cho phép truyền nhận n ng lượng điện từ Anten. .. monopole cho thông tin Hàng Hải ặc điểm anten monopole phù hợp với hệ thống thông tin hàng hải, dễ dàng tích hợp với hệ thống Hàng hải sử dụng rộng rãi công nghệ di động, m ng WLAN, anten thông minh