Thạc Sĩ Nghiên cứu và thiết kế anten cao tần cho hệ thống radar xuyên đất

MỞ ĐẦU
Làm thế nào để biết được bên dưới đường nhựa có hố trống hay không mà không cần phá hủy mặt đường? Hoặc làm sao biết được có vật thể gì được chôn dưới đất mà không cần đào bới? Những câu hỏi thật sự thú vị, kích thích trí tò mò, và khả năng khám phá của con người từ rất lâu. Để trả lời những vấn đề nêu trên, phương pháp radar xuyên đất là một sự lựa chọn thích hợp nhất, giải đáp thỏa đáng những câu hỏi tương tự như thế. Phương pháp này sử dụng sóng điện từ tần số cao phát hướng vào lòng đất hay môi trường điện môi cần khảo sát, sóng phản xạ từ môi trường thăm dò sẽ được thu nhận và xử lý. Kết quả sẽ hiển thị dưới dạng hình ảnh hai chiều hoặc ba chiều, từ đó có thể đưa ra dự đoán những vật thể hiện diện bên trong môi trường đất khảo sát. Ưu điểm của phương pháp radar xuyên đất là tốc độ khảo sát nhanh, không cần phá hủy cấu trúc thăm dò, dễ di chuyển, độ phân giải cao, và kết quả chính xác. Vì vậy, phương pháp radar xuyên đất được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ lĩnh vực công trình xây dựng, kiểm tra chất lượng đường sá, kỹ thuật địa chất, khảo cổ, cho đến an ninh quốc phòng. Phương pháp radar xuyên đất đã và đang phát triển không ngừng, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ ngày nay. Radar xuyên đất là một hệ thống tập hợp rất nhiều thành phần như mạch lấy mẫu, mạch khuếch đại cao tần, mạch tạo sóng, bộ xử lý tín hiệu, bộ xử lý ảnh, bộ hiển thị và anten. Anten là một cơ cấu quan trọng trong hệ thống radar xuyên đất, làm nhiệm vụ phát và thu sóng điện từ. Tùy vào yêu cầu ứng dụng và kỹ thuật thu phát sóng của radar xuyên đất, hệ thống radar xuyên đất sẽ chọn loại anten nào sử dụng để cho hiệu suất cao nhất, từ những anten đơn giản cho đến các anten phức tạp, từ những anten thu phát đơn lẻ, cho đến các mảng anten thu phát được tạo thành từ nhiều anten đơn ghép lại. Để có thể thiết kế anten phù hợp cho hệ thống radar xuyên đất, việc đầu tiên là phải nắm vững nguyên lý hoạt động của phương pháp radar xuyên đất và lý thuyết anten. Dựa vào đó, anten được thiết kế và thi công theo những yêu cầu mà hệ thống radar xuyên đất đặt ra. Tất cả những công việc đó sẽ được trình bày chi tiết trong luận văn này.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1
Danh mục chữ viết tắt . 5
Danh mục bảng . 6
Danh mục hình ảnh . 7
Lời cảm ơn 11
MỞ ĐẦU 12
CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT GPR 13
1.1 Giới thiệu . 13
1.2 Quá trình hình thành và phát triển 14
1.2.1 Thế giới . 14
1.2.2 Việt Nam . 15
1.3 Nguyên lý hoạt động 15
1.4 Sóng điện từ . 18
1.5 Vận tốc truyền sóng . 22
1.6 Sự suy hao của sóng điện từ . 22
1.7 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu . 23
1.8 Độ phân giải của hệ thống GPR . 24
1.8.1 Độ phân giải theo phương nằm ngang 24
1.8.2 Độ phân giải theo phương thẳng đứng . 26
1.9 Các phương pháp thu thập dữ liệu 27
1.9.1 Phương pháp mặt cắt phản xạ 27
1.9.2 Phương pháp chiếu sóng 28
1.9.3 Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng . 28
1.10 Các hệ thống radar xuyên đất . 29
1.10.1 Hệ thống GPR xung . 29
1.10.2 Hệ thống GPR FMCW tần số quét . 31
1.10.3 Hệ thống GPR FMCW tần số bước 32
1.11 Các ứng dụng của radar xuyên đất . 33
CHƯƠNG 2. ANTEN VÀ ANTEN CHO HỆ THỐNG GPR 34
2.1 Khái niệm anten . 34
2.2 Các tham số cơ bản của anten 35
2.2.1 Giản đồ bức xạ 36
2.2.1.1 Anten bức xạ đồng hướng . 36
2.2.1.2 Anten bức xạ hướng tính . 36
2.2.1.3 Búp sóng của giản đồ bức xạ . 38
2.2.1.4 Độ rộng chùm bức xạ 39
2.2.2 Cường độ bức xạ . 39
2.2.3 Hệ số định hướng 40
2.2.4 Độ lợi 41
2.2.5 Hiệu suất anten 42
2.2.6 Phân cực 43
2.2.7 Băng thông 44
2.2.8 Trở kháng vào . 45
2.3 Anten vi dải (microstrip antenna) . 46
2.3.1 Cấu tạo anten vi dải . 46
2.3.2 Cơ chế bức xạ 47
2.3.3 Các loại anten vi dải phổ biến 49
2.3.4 Phương pháp tiếp điện cho anten vi dải . 52
2.3.5 Hệ số phẩm chất, băng thông, và hiệu suất . 55
2.3.6 Ưu điểm và nhược điểm của anten vi dải . 56
2.4 Anten cho hệ thống GPR . 57
2.4.1.1 Anten cơ bản . 57
2.4.1.2 Anten sóng lan truyền . 58
2.4.1.3 Anten độc lập tần số 59
2.4.1.4 Anten loa 61
2.4.1.5 Anten mảng . 61
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN CHO HỆ THỐNG
RADAR XUYÊN ĐẤT . 63
3.1 Chương trình CST Microwave Studio 2011 . 63
3.2 Thiết kế mạch tiếp điện cho anten 65
3.2.1 Mạch tiếp điện balun . 65
3.2.2 Cấu trúc balun dây vi dải giảm theo hàm mũ . 67
3.2.3 Balun vi dải 1:1 . 68
3.2.4 Balun dây vi dải giảm tuyến tính . 71
3.3 Anten cho hệ thống GPR xung . 75
3.3.1 Anten đường Lemniscate . 75
3.3.1.1 Yêu cầu . 75
3.3.1.2 Thiết kế . 76
3.3.2 Mô phỏng anten đường Lemniscate . 78
3.3.2.1 Mô phỏng anten không sử dụng balun . 78
3.3.2.2 Mô phỏng anten sử dụng balun 1:1 81
3.4 Anten UWB cho hệ thống GPR . 85
3.4.1 Công nghệ UWB . 85
3.4.2 Anten UWB hai cánh răng cưa tuần hoàn log 86
3.4.3 Mô phỏng anten UWB thiết kế 89
3.4.3.1 Mô phỏng anten UWB không sử dụng balun . 89
3.4.3.2 Mô phỏng anten UWB kết nối với balun . 95
CHƯƠNG 4. THI CÔNG VÀ ĐO ĐẠC ANTEN THIẾT KẾ . 99
4.1 Anten đường Lemniscate . 99
4.2 Anten UWB hai cánh răng cưa tuần hoàn log . 104
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 111