Đang tải... (xem toàn văn)
Trong thời đại ngày nay có sự phát triển mạnh mẽ trong tất cả các lĩnh vực chính trị, quân sự, kinh tế, văn hoá và khoa học kĩ thuật là do có sự mở rộng và giao lưu giữa các quốc gia và các nền văn hoá. Thông tin liên lạc trở nên vô cùng quan trọng trong đời sống, nhu cầu trong tất cả các lĩnh vực và mang tính toàn cầu. Chính những nhu cầu đó cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật đã thúc đẩy sự phát triển rất nhanh trong thông tin liên lạc cả về chất lượng và số lượng.Hiện nay, ở Việt Nam có 3 mạng thông tin di động GSM: Vinaphone, MobiFone và Viettel chiếm hơn 98% thị phần các thuê bao di động. Trong thời gian tới GSM vẫn chứng tỏ là công nghệ phù hợp cho thông tin di động ở nước ta.Các mạnh thông tin GSM đã hoạt động được gần 20 năm nên cơ sở hạ tầng đã cũ và cần thay thế. Để nâng cấp chất lượng, các nhà cung cấp dịch vụ cố gắng nâng cấp và thay thế các thiết bị trong đó có hệ thống anten dùng cho các trạm BTS. Thực trạng hiện nay ở Việt Nam là hầu hết các thiết bị đều nhập từ nước ngoài, chúng ta chỉ khai thác sử dụng. Vì vậy, chúng ta không làm chủ được công nghệ và kiểm soát được chất lượng sản phẩm. Việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo các thiết bị viễn thông trong đó có anten là rất cần thiết. Do vậy, tôi chọn đề tài “Ứng dụng chương trình phần mềm thiết kế chế tạo anten siêu cao tần mạng GSM 900 trên phần mềm CST”. Cấu trúc đồ án tốt nghiệp:Chương 1: Tổng quan về antenChương 2: Mạng GSM và một số loại anten sử dụng trong mạng GSM Chương 3: Chương trình CST và thiết kế đơn chấn tử mạch dảiChương 4: Thiết kế anten mạch dải.Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp là nghiên cứu thiết kế anten băng tần 800 MHz đến 960 MHz dùng cho trạm BTS của các nhà cung cấp dịch vụ di động GSM 900.
LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay có sự phát triển mạnh mẽ trong tất cả các lĩnh vực chính trị, quân sự, kinh tế, văn hoá và khoa học kĩ thuật là do có sự mở rộng và giao lưu giữa các quốc gia và các nền văn hoá. Thông tin liên lạc trở nên vô cùng quan trọng trong đời sống, nhu cầu trong tất cả các lĩnh vực và mang tính toàn cầu. Chính những nhu cầu đó cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật đã thúc đẩy sự phát triển rất nhanh trong thông tin liên lạc cả về chất lượng và số lượng. Hiện nay, ở Việt Nam có 3 mạng thông tin di động GSM: Vinaphone, MobiFone và Viettel chiếm hơn 98% thị phần các thuê bao di động. Trong thời gian tới GSM vẫn chứng tỏ là công nghệ phù hợp cho thông tin di động ở nước ta. Các mạnh thông tin GSM đã hoạt động được gần 20 năm nên cơ sở hạ tầng đã cũ và cần thay thế. Để nâng cấp chất lượng, các nhà cung cấp dịch vụ cố gắng nâng cấp và thay thế các thiết bị trong đó có hệ thống anten dùng cho các trạm BTS. Thực trạng hiện nay ở Việt Nam là hầu hết các thiết bị đều nhập từ nước ngoài, chúng ta chỉ khai thác sử dụng. Vì vậy, chúng ta không làm chủ được công nghệ và kiểm soát được chất lượng sản phẩm. Việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo các thiết bị viễn thông trong đó có anten là rất cần thiết. Do vậy, tôi chọn đề tài “Ứng dụng chương trình phần mềm thiết kế chế tạo anten siêu cao tần mạng GSM - 900 trên phần mềm CST”. Cấu trúc đồ án tốt nghiệp: Chương 1: Tổng quan về anten Chương 2: Mạng GSM và một số loại anten sử dụng trong mạng GSM Chương 3: Chương trình CST và thiết kế đơn chấn tử mạch dải Chương 4: Thiết kế anten mạch dải. 1 Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp là nghiên cứu thiết kế anten băng tần 800 MHz đến 960 MHz dùng cho trạm BTS của các nhà cung cấp dịch vụ di động GSM - 900. 2 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN Mỗi thiết bị vô tuyến điện đều phải có anten. Thiết bị phát có anten phát, thiết bị thu có anten thu. Một hệ thống thông tin vô tuyến một chiều có thể mô tả bằng hình 1.1. Hình 1.1 - Hệ thống thông tin vô tuyến Dao động điện từ đã được điều chế do máy phát 1 tạo ra tới anten phát 2. Anten phát sẽ biến đổi năng lượng của dao động điện từ dưới dạng sóng liên kết thành năng lượng sóng điện từ tự do và phát xạ vào không gian theo hướng tới máy thu. Một phần năng lượng này tới anten thu 3 và được biến đổi thành năng lượng của dao động điện từ xuất hiện trong anten thu. Dao động điện từ này được đưa tới máy thu 4. Lấy ví dụ nữa trong một hệ thống rađa (hình 1.2). Hình 1.2 - Hệ thống rađa Từ đó ta có thể định nghĩa anten phát là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng của dao động điện từ liên kết từ máy phát đưa tới thành năng 3 lượng của sóng điện từ tự do và phát xạ vào không gian theo một quy luật định hướng xác định. Và anten thu thì lại hoạt động theo nguyên tắc ngược lại. 1.1. Sự truyền lan sóng điện từ 1.1.1. Quá trình vật lý Xét một mạch dao động L - C tập trung có kích thước rất nhỏ so với bước sóng (hình 1.3a). Nếu ta đặt vào mạch dao động một sức điện động biến thiên thì trong không gian giữa 2 má tụ sẽ có một điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ có một từ trường biến thiên. Hình 1.3 - Mạch dao động LC Khi tăng dần góc mở giữa 2 má tụ (hình 1.3b) thì dòng điện dịch sẽ không chỉ dịch chuyển giữa 2 má tụ mà một bộ phận sẽ lan toả ra môi trường ngoài và có thể lan truyền tới những điểm cách xa tụ. Nếu tăng góc mở lên nữa thì phần dòng dịch lan toả ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên có biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. 1.1.2. Sự lan truyền của sóng điện từ Nếu ta quan sát các đường sức điện trường ở gần tụ điện (hình 1.4a) thì thấy rằng chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là các điện tích trên hai má tụ. 4 Hình 1.4a - Điện trường vùng gần Nhưng nếu xét tại một điểm M cách xa nguồn thì có thể thấy rằng các đường sức điện sẽ không còn ràng buộc với các điện tích trên tụ nữa mà chúng tự khép kín trong không gian, như thế có nghĩa là đã hình thành một điện trường xoáy (hình 1.4b). Hình 1.4b - Điện trường xoáy tại một điểm ở vùng xa. Theo qui luật của điện trường biến thiên (được biểu thị bởi hệ phương trình măcxoen) thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện trường xoáy, nghĩa là đã hình thành quá trình sóng điện từ. Điện trường biến thiên được truyền lan với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa nguồn, chúng thoát khỏi sự liên kết với nguồn, nghĩa là không còn liên hệ với các điện tích trên hai má tụ nữa. 1.1.3. Nguyên lý Huygen Một trong những bài toán cơ bản của lý thuyết anten là xác định các véctơ E và H của trường điện từ bức xạ bởi anten ở một điểm nào đó trong không gian bao quanh anten. Có thể giải bài toán trên theo cách không cần dựa vào phân bố nguồn thực 5 trong không gian mà chỉ cần căn cứ vào phân bố biên độ và pha của các thành phần tiếp tuyến của điện và từ trường trên một mặt kín S nào đó bao quanh nguồn trường. Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở của nguyên lý Huygen - kirkhôp. Theo nguyên lý trên, có thể coi một mặt sóng bất kỳ là tập hợp của vô số các nguồn nguyên tố thứ cấp (nguyên tố Huygen). Các nguyên tố này sẽ bức xạ và lại hình thành những mặt sóng mới (hình 1.5). Hình 1.5 - Mặt sóng Khi ấy, trường tạo ra bởi nguồn thực ở một điểm nào đó trong không gian có thể được coi là trường giao thoa, tạo bởi các nguồn nguyên tố thứ cấp phân bố trên một mặt kín bao quanh nguồn thực. grad j AjE k e Σ +−= ω ωµ 1 me ArotAdiv − (1.1) grad j AjH m k ωµ ωε 1 +−= em ArotAdiv + (1.2) Với dv r e JA V jkr meme ∫ − = ,, 4 1 π Ở đây r là khoảng cách từ điểm xác định trường đến nguồn, nghĩa là đến điểm có dòng điện hoặc từ trong thể tích V. - V là thể tích được giới hạn bởi mặt S; 6 - k là số sóng, hay hệ số pha. Đối với chân không 0 0 2 λ πω === c kk ; - λ 0 là bước sóng, c là vận tốc ánh sáng trong chân không; - ε k , µ là hệ số điện thẩm phức và hệ số từ thẩm của môi trường. Như vậy, việc xác định trường tạo bởi các dòng trên nguồn thực được thay thế bởi việc xác định trường tạo bởi các dòng mặt tương đương trên mặt. 1.2. Các đặc trưng cơ bản của anten 1.2.1. Bài toán chính của anten Toàn bộ các bài toán xác định các chỉ tiêu kĩ thuật ( các tham số và đặc trưng ) của anten có thể được chia thành 2 nhóm: Nhóm 1: Tính toán trường ở vùng gần hay xác định các chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính chất biến đổi của anten như: Trở vào, hiệu suất, dải tần công tác, công suất cực đại cho phép. Nhóm 2: Tính toán trường ở vùng xa hay xác định các chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng cho tính định hướng của anten: Đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực, hệ số tác dụng định hướng, công suất bức xạ… Tất cả các chỉ tiêu kĩ thuật của anten phù hợp với 2 nhiệm vụ cơ bản của anten: -Biến đổi sóng điện từ liên kết thành sóng điện từ tự do phát xạ vào không gian và ngược lại. -Phát xạ có hướng hay thu có hướng sóng điện từ. 1.2.2. Miền phát xạ của anten Khi nói về miền bức xạ của anten người ta thường đề cập đến miền bức xạ tương ứng với khoảng cách của nó so với anten. Trên hình 1.6 miền phát xạ chia làm 3 vùng: 7 Hình 1.6 - Miền phát xạ + Vùng I được gọi là miền trường gần tác động trở lại anten. Trong miền này năng lượng cao tần bị lưu giữ và phản xạ lại anten. + Vùng II được gọi là miền trường gần hay còn gọi là miền Fresnel. Đặc tính của trường này là át trội trường vùng I và góc phân phối trường phát xạ phụ thuộc vào khoảng cách. + Vùng III được gọi là miền trường xa. Trong miền này trường phát xạ chiếm ưu thế và góc phân bố trường độc lập với khoảng cách từ vị trí quan sát tới anten. Tại miền này véc tơ điện từ trường E và H là vuông góc với nhau và cùng vuông góc với hướng quan sát r. Trong phần lớn các hệ thống anten, vùng biên của miền I, II, III được xác định bằng khoảng cách so với anten như sau: 3 I D r < 0.62 λ (1.3) 3 2 II D D 0.62 < r < 2 λ λ (1.4) 2 2 III D r λ > (1.5) 8 Trong thực tế, các hệ thống vô tuyến thì hầu hết các anten phát và anten thu đều nằm ở vùng trường xa của nhau. Phân bố anten trong không gian (hình 1.7). Hình 1.7 - Phân bố anten trong không gian 1.2.3. Đặc trưng hướng của anten Biên độ phức của cường độ trường của một nguồn phát xạ sóng điện từ tại một điểm tuỳ ý trong vùng xa có thể viết dưới dạng sau: jkrj A eef r I E − = ),( . ).,( ϕθφ ϕθ (1.6) Trong đó: - r, θ, ϕ là các toạ độ của điểm quan sát trong hệ toạ độ cầu; - I A là biên độ dòng tại một điểm nào đó trên anten; - ),().,( ),( ϕθϕθ ϕθφ fef j = - hàm phụ thuộc vào cấu trúc của anten; - λ π 2 =k là số sóng; - ),( ϕθφ là pha của trường. Định nghĩa: Hàm ),( ϕθ f , tức môdul của hàm ),( ϕθ f xác định sự phụ thuộc của biên độ cường độ trường 9 của anten tại các điểm nằm trong vùng xa và cách đều anten vào hướng quan sát được gọi là đặc trưng hướng của anten. Hình 1.8 - Đặc trưng hướng của anten Trong thực tế có nhiều loại đặc trưng hướng khác nhau: - Đặc trưng hướng hình xuyến trong các lưỡng cực, đơn cực điện (hình 1.9). Là anten vô hướng trong 1 mặt phẳng dùng trong vô tuyến truyền tin. Hình 1.9 - Đặc trưng hướng hình xuyến - Đặc trưng hướng hình quạt. Có mức độ định hướng khác nhau trong 2 mặt phẳng chính và nó thường được dùng để xác định toạ độ góc của mục tiêu trong kĩ thuật rađar. - Đặc trưng hướng hình kim (hình 1.10). Có tính định hướng gần như nhau trong 2 mặt phẳng chính. Thường dùng trong các radar để theo dõi 10 [...]... chia theo thời gian) kết hợp với FDMA (Đa truy nhập phân chia theo tần số) Ở châu Âu hệ thống GSM hoạt động ở tần số 900 MHz cũng như tần số 1800 MHz Ở Bắc Mỹ, GSM sử dụng tần số 1900 30 MHz Mạng GSM hỗ trợ truyền thoại với tốc độ bit là 13 kbit/s và truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s Ở Việt Nam hiện nay các mạng di động lớn là VinaPhone và MobiFone và mạng Viettel đều là mạng GSM Ta có thể tham khảo... hướng xuống Trong hệ thống GSM, công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA được ứng dụng cho mỗi sóng mang có độ rộng băng tần 200 kHz Trong băng tần 25 MHz chia làm 124 dải thông tần, tương ứng 124 cặp kênh Bắt đầu từ 890,2 MHz với mỗi dải thông tần của kênh vật lý là 200 KHz (25MHz/125 kênh) dải tần bảo vệ biên là 200 KHz, tách biệt song công 45 MHz giữa tần số lên và tần số xuống Kênh số 0 trong... của anten Chiều dài hiệu dụng của một anten dây là chiều dài của một lưỡng cực Hertz (có phân bố dòng đều), có dòng bằng dòng tại điểm bụng I b của anten dây và cho cùng một giá trị cường độ trường theo hướng phát xạ cực đại tại điểm quan sát như anten dây khái niệm chiều dài hiệu dụng để đánh giá mức độ định hướng của các anten dây Tương tự như diện tích hiệu dụng của anten, chiều dài hiệu dụng anten. .. nhược điểm lớn của anten đẳng hướng là vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh Hình 2.6 - Anten định hướng và đặc tuyến phủ sóng 2.3.2 Một số hệ thống anten trong thông tin di động Để khắc phục nhược điểm của các loại anten đơn giản ở trên người ta cố gắng kết hợp nhiều anten với nhau để tạo thành một hệ thống anten Các anten trong cùng một hệ thống phải làm việc đồng bộ với nhau nhằm nâng cao độ tăng ích cũng... suất trung bình của mạch điện trên là: 1 P = Re { VA I *} 2 (1.26) Công suất trên anten sẽ là : P= (1.27) 22 Rg 2 1 1 Vg 2 R g +R r R r Để tìm giá trị Rr của anten nhằm có được công suất phát xạ lớn nhất ∂P =0 ∂Rr ta thực hiện giải phương trình sau: Giải phương trình trên ta thấy công suất máy phát cực đại trên anten khi Rr = Rg Khi đó hệ số phản xạ nhìn vào hướng anten sẽ là: Γ= R r -R g R r +R... nói rằng anten phối hợp với máy phát và hệ số phản xạ bằng không Trở kháng của anten là một hàm của tần số, do vậy khi tần số thay đổi thì cũng thay đổi sự phối hợp Điểm xác định cận biên của tần số có 2 2 mức hệ số phản xạ -10dB ( Γ < 0.1 ) hoặc là -15dB ( Γ < 0.03 ) tuỳ thuộc vào yêu cầu của người thiết kế Hình 1.22 - Hệ số phản xạ như hàm của tần số 23 Băng thông của anten được xác định bằng phần trăm... nhiệm vụ của anten trong trạm BTS Anten trong các trạm BTS dùng để thu phát sóng bức xạ từ tổng đài tới các máy lẻ và ngược lại Hiện nay các trạm BTS đã sử dụng các loại anten tương đối phức tạp có tính định hướng cao và khả năng xử lý thông minh theo các chương trình đã lập sẵn Tuy nhiên về cơ bản các anten phức tạp đều dựa vào nguyên lý của các anten đơn giản được dùng khá phổ biến là anten đẳng hướng... (omnidirectional antenna) và anten vô hướng (omnidirectional antenna) Để tìm hiểu các loại anten phức tạp hơn ta cùng nghiên cứu qua các tính năng của 2 anten này: Anten đẳng hướng là một anten đơn giản dùng để phát thu sóng đồng đều trên tất cả các hướng Loại anten này thích hợp khi tìm kiếm máy điện thoại di động (MS - Mobile Systems) khi không biết chính xác máy này đang nằm ở vị trí nào, tuy vậy anten cũng... Hình 2.5 - Anten đẳng hướng và đặc tuyến phủ sóng Anten định hướng cũng là loại anten đơn giản, nhưng khác với loại anten đẳng hướng nó được thiết kế để phát và thu tín hiệu trong một hướng nhất định Trong các hệ thống thông tin di động đặc tuyến phủ sóng của anten định hướng thường có hình quạt và góc mở 120 0 So với anten đẳng hướng thì anten định hướng có độ tăng ích và hiệu năng tín hiệu cao hơn... và điện môi của anten 1.2.9 Diện tích hiệu dụng của anten Diện tích hiệu dụng Aw của anten là một đại lượng đặc biệt chỉ có ở anten thu, Aw được đo bằng công suất thu cực đại của anten thu được từ một sóng bề mặt của mật độ công suất S: Pmax= S Aw (1.20) Diện tích hiệu dụng có thể liên hệ với hệ số G theo huyếch đại công thức sau: 20 λ2 4π Aw= G (1.21) Mặc dù diện tích hiệu dụng của anten là một đại . đó có anten là rất cần thiết. Do vậy, tôi chọn đề tài Ứng dụng chương trình phần mềm thiết kế chế tạo anten siêu cao tần mạng GSM - 900 trên phần mềm CST . Cấu trúc đồ án tốt nghiệp: Chương. nghiệp: Chương 1: Tổng quan về anten Chương 2: Mạng GSM và một số loại anten sử dụng trong mạng GSM Chương 3: Chương trình CST và thiết kế đơn chấn tử mạch dải Chương 4: Thiết kế anten mạch dải. 1 Mục. cứu thiết kế anten băng tần 800 MHz đến 960 MHz dùng cho trạm BTS của các nhà cung cấp dịch vụ di động GSM - 900. 2 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN Mỗi thiết bị vô tuyến điện đều phải có anten.