Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ĂNG TEN LOA

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ĂNG TEN LOA

Tải bản đầy đủ - 0trang

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



giảm đối với việc giải phương trình bậc 4 riêng lẻ. Đối với ăng ten loa có thể thực hiện

được thì phải thỏa mãn điều kiện dưới đây [13]:

RE = RH = RP



(3.1)



Hình 3. 1 Các hình chiếu của ăng ten loa hình chóp

Điều này có thể được thể hiện như sau:

=

=























=



(3.2)



=



(3.3)



Thay điều kiện độ tăng ích tối ưu trong mặt E trong biểu thức (2.48) vào (3.3) ta

được:





−2



=0



(3.4)



Giải phương trình bậc 2 (3.4) đối với biến số B ta được kết quả:

=



+



+8



(3.5)



Tương tự, điều kiện tăng ích tối ưu đối với mặt H:

=



=

33



(3.6)



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Thay RE = RH vào biểu thức (3.5) ta được:

=



+



+8



(3.7)



Thay vào phương trình tính độ tăng ích của ăng ten loa ta được kết quả dưới đây:

G=



(3.8)



Cuối cùng, chúng ta thu được biểu thức liên hệ giữa các thông số bề ngang của

ăng ten loa A, độ tăng ích G và hiệu suất khẩu độ

+



G=



dưới đây:



+8



(3.9)



Suy ra:





+







=0



(3.10)



Phương trình (3.10) là phương trình thiết kế horn hình chóp tối ưu. Thơng

thường, tại giá trị



= 0,51 thì độ tăng ích của ăng ten tối ưu, từ đó giải phương trình



bậc 4 đầy đủ đối với biến A ta tính được giá trị kích thước A bằng số. Sau đó, áp dụng

các cơng thức (2.20) và (2.21) để tính tốn các kích thước B và RE = RH. Như vậy,

bằng cách trên, tác giả đã tính tốn thiết kế được các kích thước phần loe của Ăng ten

loa tối ưu [14].

3.2.



Kết quả thiết kế, tính tốn kích thước ăng ten loa hình chóp

Tác giả thiết kế ăng ten loa với cấu trúc bao gồm hai phần chính: phần thân (loa)



của ăng ten và phần hộp cộng hưởng đều được chế tạo bằng vật liệu đồng có độ dày

khoảng 2mm, cấp nguồn tín hiệu bằng cáp đồng trục có trở kháng 50Ω tới một đầu dò

trong phần hộp cộng hưởng thơng qua đầu nối loại N.



34



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



3.2.1. Phần thân loa

Trong hệ truyền cơng suất khơng dây bằng sóng vi ba, chúng ta có thể sử dụng

ăng ten loa hình chóp có độ định hướng cao để làm ăng ten phát hoặc thu. Ở đây, tác

giả thiết kế ăng ten loa hình chóp có độ tăng ích G = 20 dB hoạt động ở dải tần số 1,7

GHz – 2,6 GHz (phù hợp với tần số sử dụng để truyền công suất vi ba) sử dụng ống

dẫn sóng tiêu chuẩn loại WR430.

Như vậy, chúng ta có các thơng số ban đầu của ăng ten loa hình chóp như sau:

Bảng 3. 1. Các thơng số ban đầu để thiết kế ăng ten loa

f (GHz)



λ (mm)



GdB



Glinear



a (mm)



b (mm)



2.45



122.45



20



100



109.2



54.6



Ở đây, giá trị độ tăng ích [15] theo đơn vị tuyến tính Glinear = 10

sóng λ = . Với các giá trị hiệu suất khẩu độ







khác nhau thì kích thước của phần



khẩu độ mở của ăng ten cũng thay đổi theo. Tác giả khảo sát các giá trị



để tính tốn



kích thước tối ưu khẩu độ mở của ăng ten loa.



Hình 3. 2 Chương trình tính tốn kích thước ăng ten loa dạng chóp

35



và bước



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Sử dụng chương trình tính tốn trên hình 3.2 để giải phương trình bậc 4 (3.10)

để tính tốn kích thước A với hiệu suất của ăng ten thay đổi trong khoảng 0,49 ≤







0,7 [11, 12, 13, 15] (là khoảng hoạt động hiệu quả nhất của ăng ten loa) và sau đó tính

tốn các kích thước B và R = RE = RH lần lượt được tính bằng các cơng thức (3.5) và

(3.6). Tác giả thu được kết quả tính tốn như trên bảng

Bảng 3. 2. Bảng kết quả tính tốn các kích thước ăng ten loa dạng chóp

ε



A (mm)



B (mm)



R (mm)



0.49



557.7



436.6



681



0.5



552.3



432.1



666.1



0.51



546.9



427.7



651.8



0.52



541.8



423.5



638



0.53



536.8



419.4



624.8



0.54



531.9



415.4



612



0.55



527.2



411.5



599.8



0.56



522.5



407.7



588



0.57



518.1



404.1



576.6



0.58



513.7



400.5



565.6



0.59



509.4



397



555



0.6



505.3



393.6



544.8



0.61



501.2



390.3



534.9



0.62



497.3



387



525.3



0.63



493.4



383.8



516



0.64



489.6



380.8



507.1



36



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



0.65



486



377.7



498.4



0.66



482.4



374.8



490



0.67



478.8



371.9



481.9



0.68



475.4



369.1



473.9



0.69



472.1



366.3



466.3



0.7



468.8



363.6



458.8



3.2.2. Phần hộp cộng hưởng

Phần hộp cộng hưởng chính là ống dẫn sóng loại WR430 có chiều dài h

(109.2mm x54.6mm) được cấp nguồn thơng qua cáp đồng trục, đầu nối SMA. Cáp

đồng trục dùng để cấp nguồn cho ống dẫn sóng có trở kháng 50Ω. Đầu dò (probe) nằm

bên trong hộp cộng hưởng, nối trực tiếp với đầu nối SMA. Đầu dò là 1 đoạn dây đồng

hình trụ, đây là thành phần quan trọng nhất để phối hợp trở kháng trong hộp cộng

hưởng. Việc phối hợp trở kháng trong ống dẫn sóng (hộp cộng hưởng) có vai trò rất

quan trọng đến độ lợi, độ định hướng, góc bức xạ E và H của ăng ten loa.

Ở đây, tác giả khơng tính tốn trở kháng trong ống dẫn sóng (cách tính trở

kháng trong ống dẫn sóng có thể tham khảo ở mục [16]) Vị trí của đầu dò so với đáy

của hợp cộng hưởng (l), chiều dài (d) và bán kính của nó là những yếu tố quyết định

đến việc phối hợp trở kháng tốt hay khơng [17, 18]. Các yếu tố này được tính tốn ban

đầu theo các cơng thức sau đây :



với L0 = λ = 122.45 mm; Lg =



h = Lg/2



(3.11)



l = Lg/2



(3.12)



d = L0/4



(3.13)



[19]



37



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Phần ống dẫn sóng ở Hình 3.3 thuộc phần thân loa được thiết kế giống với kích

thước của ống dẫn sóng chuẩn loại WR430 với các kích thước trong là a = 109,2 mm;

b = 54,6 mm.

Phần thân loa với các kích thước như sau: L = 666.1 mm; A = 552.3 mm; B =

432.1 mm; h = 37mm (tất cả các kích thước là kích thước phía trong của loa). Thân loa

được chế tạo từ tấm vật liệu đồng với độ dày 2 mm.



Hình 3. 3 Các kích thước của ăng ten loa đã tính tốn

Phần cộng hưởng có kích thước sau khi đã được tính tốn như sau:

-



d= 35.5 mm



-



l = 58.7 mm



-



L1 = 74 mm



38



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Hình 3. 4 Phần hộp cộng hưởng của loa

3.3.



Kết quả mô phỏng ăng ten loa hình chóp



3.3.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng CST (Computer Simulation Technology)

Phần mềm mô phỏng điện từ CST STUDIO SUITE là kết quả đỉnh cao của

nhiều năm nghiên cứu và phát triển về các giải pháp tính tốn số hiệu suất cao và chính

xác nhất đối với các thiết kế điện từ. Phần mềm này bao gồm các công cụ của CST cho

việc thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị hoạt động trong dải tần số rộng. Các phân tích có

thể bao gồm các hiệu ứng nhiệt và cơ học cũng như mô phỏng mạch.

CST STUDIO SUITE có thể cung cấp sản phẩm phù hợp cho thị trường như

làm giảm chu trình phát triển, tạo mẫu ảo trước khi thử nghiệm vật lý và tối ưu hóa

thay vì thực nghiệm.

CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) là một công cụ chuyên nghiệp cho

mô phỏng 3D cho các linh kiện siêu cao cần. CST MWS cho phép phân tích chính xác

và nhanh chóng các linh kiện, thiết bị vi ba như các ăng ten, các bộ lọc, các bộ coupler,

các cấu trúc phẳng đa lớp và các hiệu ứng tương thích điện từ… CST MWS cho phép

người sử dụng hiểu sâu sắc trạng thái sóng điện từ của các thiết kế siêu cao tần. Người

sử dụng có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến sóng điện từ, siêu cao tần bằng các

giải pháp đa dạng, linh hoạt và có sẵn trên phần mềm.



39



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Hình 3. 5 Sơ đồ các bước tiến hành mô phỏng ăng ten sử dụng phần mềm CST



40



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



CST MICROWAVE STUDIO cung cấp công nghệ đầy đủ cho mô phỏng trường

điện từ 3D tần số cao. CST MICROWAVE STUDIO bao gồm các modul dựa trên các

phương pháp khác nhau như phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element method

FEM), phương pháp moment (Method of Moments MoM), phương pháp đa cực nhanh

nhiều mức (Multilevel Fast Multipole Method MLFMM)…

Các bộ giải được tích hợp trong phầm mềm mô phỏng CST bao gồm:

-



Transient solver



-



Frequency domain solver



-



Eigenmode solver



-



Resonant solver



-



Integral Equation Solver



-



Asymptotic Solver



-



TLM Solver



3.3.2. Q trình mơ phỏng ăng ten loa bằng phần mềm CST MICROWAVE

STUDIO

Hình 3.6 là giao diện của phần mềm mơ phỏng CST.



Hình 3. 6 Giao diện phần mềm mô phỏng CST 2013

41



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Lựa chọn mục MICROWAVES & RF để tiến hành phân tích và mơ phỏng cấu

trúc ăng ten loa độ định hướng cao, hoạt động tại dải tần số ISM với tần số hoạt động

trung tâm là 2,45 GHz. Ứng dụng để làm ăng ten phát (hoặc ăng ten thu) trong hệ

truyền công suất không dây sử dụng công nghệ chùm tia vi ba cơng suất cao.

Một số hình ảnh mơ phỏng ăng ten loa, cùng với các kích thước của chúng trên

phần mềm mơ phỏng CST:



Hình 3. 7 Hình ảnh ăng ten loa được mơ phỏng trên phần mềm



Hình 3. 8 Hình ảnh 3D của ăng ten loa

42



Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A



Hình 3. 9. Kích thước hình chiếu cạnh của ăng ten loa



Hình 3. 10 Kích thước hình chiếu bằng của ăng ten loa

43



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ĂNG TEN LOA

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×