Thiết kế anten Yagi 7 chấn tử
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (983.14 KB, 19 trang )
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
1
MỤC LỤC
Mục lục…………………………………………………………….……
1
Lời nói đầu………………………………………………………………
2
Phần 1: Cơ sở lý thuyết anten Yagi……………………………… ……
3
I. Cấu trúc anten Yagi………………………………… ………
3
II. Vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng……………….………
5
Phần 2: Thiết kế anten…………………………………………… ……
6
a. Tính toán kĩ thuật…………………………………………….……
6
b. Đặt trưng hướng……………………………….…………….……
12
Phần 3: Mô phỏng………………………………………….……….……
15
1. Chương trình mô phỏng……………………… …………….……
15
2. Đồ thị bức xạ…………………………………….………… ……
27
Kết luận………………………………………………… ……… ……
18
Tài liệu tham khảo………………………………….………….…… ….
19
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
2
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con
người ngày càng cao và thật sự cần thiết. Việc sử dụng các hệ thống phát, thu vô tuyến
đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của con người ở các khoảng cách
xa một cách nhanh chóng và chính xác.
Bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng Anten để phát hoặc thu tín
hiệu. Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp nhiều hệ thống Anten như:
hệ thống Anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTS dùng cho các mạng điện
thoại di dộng. Hay những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại di động, radio …
cũng đều sử dụng Anten.
Qua việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật Anten sẽ giúp ta nắm được các cơ
sở lý thuyết Anten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số
cơ bản của các loại Anten thường dùng. Đó là lý do nhóm chúng em chọn đề tài “ Thiết
kế Anten Yagi”.
Mục đích của đề tài là tìm hiểu về lý thuyết Anten, phương pháp tính và thiết kế
Anten Yagi để thu được sóng ở dải sóng ngắn một cách tối ưu nhất. Như vậy giới hạn
của đề tài chỉ trong phạm vi hẹp là nghiên cứu Anten Yagi và các phần lý thuyết có liên
quan. Tuy nhiên đây là cơ sở rất quan trọng để có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển
kỹ thuật Anten.
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
3
Phần 1: Cơ sở lý thuyết Anten Yagi
I. Cấu trúc của Anten Yagi
Hình 1.1: Mô hình Anten Yagi
Cấu tạo: Gồm 3 phần
Phần tử phản xạ: l
px
> λ/2 (1 hay nhiều chấn tử, có thể là 1 mặt)
Phần tử nguồn: 1 chấn tử cộng hưởng l
nguồn
hay l
cđ
, l
ch
có độ dài xấp xỉ λ/2
( Z
0A
=75Ω nên dùng chấn tử đơn)
Phần tử phản xạ: 1 hoặc nhiều chấn tử l
dx
< λ/2 được sắp xếp trên đường
thẳng sao cho dẫn tử trước là phản xạ của chấn tử sau, chấn tử sau là dẫn xạ
của chấn tử trước.
- Đồng thời:
l
dx1
> l
dx2
> l
dx3
> …>l
dxN
thì d
dx
= const
hoặc d
dx1
<d
dx2
<d
dx3
< … < d
dxN
thì l
dx
= const
Nguyên lí làm việc:
Anten Yagi là hệ thống bức xạ thẳng có góc pha biến đổi
Điều chỉnh tốt: ζ = 1 ; D
max
= ND
1
, cos
Luôn luôn bức xạ dọc theo trục hệ thống và về phía chấn tử chậm pha (chấn
tử ngắn) do chấn tử nguồn A bức xạ được chấn tử phản xạ P phản xạ ngược
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
4
trở lại, đồng thời chấn tử dẫn xạ hướng bức xạ theo chiều dương trục z. Vì
vậy, đồ thị phương hướng có búp chính về hướng +z.
Khi số chấn tử dẫn xạ tăng lên thì L = Nd tăng lên D
max
tăng lên 2
giảm xuống dải thông giảm xuống
Từ đó ta thấy D ảnh hưởng bởi:
o Số chấn tử dẫn xạ N
o Độ dài hệ thống L
o Chủ yếu là 4-5 chấn tử đầu: phản xạ - nguồn – dẫn xạ 1 – dẫn xạ 2 – dẫn
xạ 3 (các chấn tử còn lại đảm bảo định hướng bức xạ - đảm bảo ζ = 1 )
- Anten, hướng từ chấn tử phản xạ về phía chấn tử dẫn xạ. Theo lý thuyết chấn tử
ghép, dòng điện trong chấn tử chủ động (I1) và dòng điện trong chấn tử thụ động
(I2) có quan hệ dòng với nhau bởi biểu thức:
1
2
exp( ).
I
ai
I
12 22
12 22
arctan( ) arctan( )
XX
RR
Bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử thụ động, có thể biến đổi độ lớn và
dấu của điện kháng riêng X22, do đó sẽ biến đổi được a và iΨ.
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
5
II, Vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng
- Anten chúng ta cần thiết kế có Z
v
=75Ω. Đối với anten YAGI việc phối
hợp trở kháng phụ thuộc trực tiếp vào chấn tử phát xạ (chấn tử chủ động)
do chấn tử này được nối trực tiếp với nguồn,các chấn tử còn lại đều là chấn
tử thụ động.Để thuận lợi trong trường hợp này ta chọn cách phối hợp anten
chữ U.
- Trên hình vẽ ta thấy từ điểm tiếp điện C đến (1) và (2) lệch nhau một
đoạn =
. Dòng điện tải (1),(2) ngược pha nhau thỏa mãn tính chất đối
xứng pha.Biên độ I
1
và I
2
đều bằng nhau vì đều là dòng lõi.
Trở kháng:
Điểm O nằm trên mặt đẳng thế của vỏ cáp:
Mặt khác:
.
=>
Khảo sát Z
v
từ C-(1):l
2
=l
1
+
.Khi đó một đoạn l=
ta có Z
v
=Z
t
không phụ
thuộc vào Z
0.
Đối chiếu đường dây tiếp điện 75 Ω
Có phối hợp trở kháng. Phối hợp trở kháng cho anten chữ U
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
6
Phần 2: Thiết kế Anten
Yêu cầu thiết kế Anten:
Thiết kế anten YAGI 7 chấn tử làm việc ở f=300MHz Zv
75
v
có độ rông đồ thị
phương hướng
Ta có sơ đồ anten như hình vẽ :
a. Tính toán thông số kĩ thuật
- Với f = 300MHz ta tính được
6
8
300 10
1( )
3.10
c
m
f
- Với góc bức xạ nửa công suất
(góc -3dB) nhỏ thế này thì góc
bức xạ không
(góc 1dB) cũng sẽ nhỏ, búp sóng chính hẹp vì thế hệ số định
hướng sẽ lớn.
Hệ số định hướng được tính theo công thức:
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
7
Gọi chiều dài chấn tử chủ động là
Gọi chiều dài chấn tử phản xạ là
Gọi chiều dài chấn tử dẫn xạ là:
Theo lý thuyết đường dây song hành hở mạch thì X
v
=
A
cotg
Từ thực nghiệm, l=0.5 không phải là độ dài cộng hưởng vì khi l=0.5
có Xv=42.5 Ohm. Ta sẽ đi tính toán độ dài cộng hưởng của chấn tử
(Xv=0).Ta có:
là trở kháng sóng của anten
Công thức trên được xác đinh trong trường hợp
Áp dụng vào bài toán, giả thiết anten được cấu tạo từ những chấn tử có đường
kính như nhau :
thì xác định được :
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
8
Thay vào biểu thức tính ta tính được :
Vậy chiều dài của chấn tử chủ động là:
Note: Để tính toán được trở kháng kháng và điện trở tương hỗ ta tính toán trên
phần mềm matlab, quét các giá trị để khi nào góc pha dòng điện = góc pha
khoảng cách đã chọn. Hàm sử dụng tính toán điện trở, điện kháng tương hỗ trong
matlab :
//Hàm tính toán điện kháng tương hỗ
function [a]=dienkhang(l1,l2,d,k,H,x,y)
% x la theta, y la phi
xi=0;
n=80*l2;
for i=1:n
ds=l2/(2*n);
S=i*ds-0.5*ds;
Sx=S*sin(x)*cos(y);
Sy=S*sin(x)*sin(y);
Sz=S*cos(x);
jo=sqrt(Sx^2+(d+Sy)^2);
R=sqrt(jo^2+(H+Sz)^2);
r1=sqrt(jo^2+(H+Sz+l1/2)^2);
r2=sqrt(jo^2+(H+Sz-l1/2)^2);
a1=(cos(k*r1))*(Sz+H+l1/2)/r1;
a2=(cos(k*r2)/r2)*(Sz+H-l2/2);
a3=2*(cos(k*R)/R)*(cos(k*l1/2))*(Sz+H);
b=((Sx*sin(x)*cos(y))+(d+Sy)*sin(x)*sin(y))/(jo^2);
c=((2*cos(k*l1/2)*cos(k*R)/R)-(cos(k*r1)/r1)-
(cos(k*r2)/r2))*cos(x);
f=sin(k*(l2/2-abs(S)));
u=(((a1+a2-a3)*b+c)*f*ds);
u=-30*u;
xi=xi+u;
end
a=2*xi;
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
9
//Hàm tính toán điện trở tương hỗ
function [a]=dientro(l1,l2,d,k,H,x,y)
% x la theta, y la phi
xi=0;
n=80*l2;
for i=1:n
ds=l2/(2*n);
S=i*ds-0.5*ds;
Sx=S*sin(x)*cos(y);
Sy=S*sin(x)*sin(y);
Sz=S*cos(x);
jo=sqrt(Sx^2+(d+Sy)^2);
R=sqrt(jo^2+(H+Sz)^2);
r1=sqrt(jo^2+(H+Sz+l1/2)^2);
r2=sqrt(jo^2+(H+Sz-l1/2)^2);
a1=(sin(k*r1))*(Sz+H+l1/2)/r1;
a2=(sin(k*r2)/r2)*(Sz+H-l1/2);
a3=2*(sin(k*R)/R)*(cos(k*l1/2))*(Sz+H);
b=((Sx*sin(x)*cos(y))+(d+Sy)*sin(x)*sin(y))/jo;
c=((2*cos(k*l1/2)*sin(k*R)/R)-(sin(k*r1)/r1)-
(sin(k*r2)/r2))*cos(x);
f=sin(k*(l2/2-abs(S)));
u=(((a1+a2-a3)*b+c)*f*ds);
u=-30*u;
xi=xi+u;
end
a=2*xi;
Vì các chấn tử được đặt song song với nhau và đều nằm trong cùng 1 mặt phẳng
nên x=0, y=0 (tức là các góc hợp bởi chẩn tử =0, =0)
- Lấy chấn tử nguồn làm gốc (chấn tử nguồn có Xv=0, nên góc pha=0)
Đầu tiên ta sẽ đi tìm chấn tử phản xạ và chấn tử dẫn xạ đầu tiên để cho hệ
có phản xạ hoàn toàn và dẫn xạ hoàn toàn.
Với
thì
nên
Do
nên
Suy ra với
Tương tự đối với
Và
được xác định theo
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
10
- Điện trở bức xạ của chấn tử: Đồ thị biến thiên của điện trở bức xạ R theo
độ dài chấn tử
được biểu diễn:
Chọn
thì tính được
,
Suy ra:
Chọn
thì tính được điện trở và điện kháng tương hỗ
=>
Mà góc pha khoảng cách:
Để phản xạ hoàn toàn thì pha dòng điện (
) bằng pha khoảng
cách(
). Suy ra:
(=
) => chọn
Chọn
thì tính được
,
Suy ra:
Chọn
thì tính được điện trở và điện kháng tương hỗ
=>
Mà góc pha khoảng cách:
Để phản xạ hoàn toàn thì pha dòng điện (
) bằng pha khoảng
cách(
). Suy ra:
(=
) => chọn
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
11
Sau đó ta sẽ đi tìm các chấn tử còn lại:
Do độ dài của các chấn tử sau phụ thuộc vào hệ số định hướng,
(hoặc vào góc bức xạ không, hoặc vào góc bức xạ nửa công suất). Theo
yêu cầu thiết kế thì
, như vậy góc rất hẹp, búp chính sẽ hẹp,
hệ số định hướng sẽ lớn. Do đó yêu cầu chiều dài anten phải lớn vì chiều
dài anten phụ thuộc vào hệ số định hướng (hệ số định hướng càng lớn thì
anten có chiều dài càng dài).
Chọn chiều dài
thì
,
=>
Góc do thành phần tương hỗ tạo ra
với
(=
) => chọn
Chọn
và
Chọn chiều dài
thì
,
=>
Góc do thành phần tương hỗ tạo ra
với
(
) => chọn
Chọn
và
Chọn chiều dài
thì
,
=>
Góc do thành phần tương hỗ:
với
(=
) => chọn
Chọn
và
Tương tự với chiều dài
thì
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
12
Kết luận: Vậy anten thiết kế có các thông số
o Chiều dài chấn tử phản xạ:
,
o Chiều dài chấn tử chủ động:
o Chiều dài chấn tử dẫn xạ:
,
,
b. Tính đặc trưng hướng
- Anten Yagi có thể coi như một hệ tuyến tính gồm các nguồn rời rạc. Anten
thường đặt ở độ cao bằng một số lần chiều dài bước sóng so với mặt đất
hoặc mặt phản xạ. Ảnh hưởng của mặt phản xạ lên trường bức xạ của anten
trong trường hợp này thường tác động lên đặc trưng hướng trong mặt phẳng
đứng.
- Trong trường hợp tổng quát, đối với anten cấu tạo từ một số chấn tử khi tính
đến ảnh hưởng của đất thì đặc trưng hướng của nó được xác đinh bằng công
thức:
.
Trong đó:
– Thừa số xác định đặc trưng của một chấn tử:
Trong mặt phẳng E
Trong mặt phẳng H
Thừa số ảnh hưởng của đất. (trong mặt phẳng H).
h- độ cao Anten
Thừa số của hệ.
biên độ dòng trên chấn tử j ;
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
13
biên độ dòng trên chấn tử chủ động;
pha của dòng trên chấn tử thứ j;
khoảng cách từ chấn tử j đến chấn tử 0
Ta coi dòng trong các chấn tử là như nhau. Suy ra tỷ số
.
Vì vai trò chủ yếu quyết định dạng đặc trưng hướng là phân bố
pha chứ không phải là phân bố biên độ.
Với
khoảng cách trung bình giữa các chấn tử;
: pha của dòng điện trên các chấn tử giảm theo quy
luật tuyến tính;
góc tạo bởi phương điểm quan sát với trục chấn tử,
Suy ra
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
14
Đặc trưng hướng chuẩn hóa trong mặt phẳng E
Đặc trưng hướng chuẩn hóa trong mặt phẳng H
- Không xét đến ảnh hưởng của đất
- Xét đến ảnh hưởng của đất thì:
14
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
15
Phần 3: Mô phỏng
1. Chương trình mô phỏng (Viết bằng MatLab)
Không có ảnh hưởng từ mặt đất:
clc
clear
disp('Chuong trinh ve do thi buc xa cua anten Yagi ');
disp(' SVTH: MXH-TTM-CTM-TTMT ');
N=input('So chan tu dan xa: N=');
f=input(' Tan so theo MHz: f = ');
dpx=input(' Khoang cach dpx = ');
ddx1=input(' Khoang cach ddx1= ');
ddx2=input(' Khoang cach ddx2= ');
ddx3=input(' Khoang cach ddx3= ');
ddx4=input(' Khoang cach ddx4= ');
ddx5=input(' Khoang cach ddx5= ');
L=dpx+ddx1+ddx2+ddx3+ddx4+ddx5;
lambda=3e2/f;
k=2*pi/lambda;
dtb=L/(N+2-1);
x=0:pi/100:2*pi;
y=abs(sin((N+2)/2*k*dtb*(1-cos(x)))./((N+2)*sin(k/2*dtb*(1-
cos(x)))));
figure
polar(x,y,'m')
title('Do thi buc xa trong mat phang H khong tinh anh huong cua
dat')
z=abs((sin((N+2)/2*k*dtb*(1-cos(x)))./((N+2)*sin(k/2*dtb*(1-
cos(x))))).*(cos(pi/2*sin(x))./cos(x)));
figure
polar(x,z)
title('Do thi buc xa trong mat phang E')
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
16
Có ảnh hưởng từ mặt đất:
clc
clear
disp('Chuong trinh mo phong do thi buc xa cua anten Yagi');
disp('Thay doi d');
N=input('So chan tu dan xa N= ');
f=input('Tan so (MHz) f= ');
h=input('Chieu cao anten thu h= ');
dpx=input('Khoang cach (m): dpx= ');
ddx1=input('Khoang cach (m): ddx1= ');
ddx2=input('Khoang cach (m): ddx2= ');
ddx3=input('Khoang cach (m): ddx3= ');
ddx4=input('Khoang cach (m): ddx4= ');
ddx5=input('Khoang cach (m): ddx5= ');
lambda=3e2/f;
L=dpx+ddx1+ddx2+ddx3+ddx4+ddx5;
k=2*pi/lambda;
dtb=L/(N+2-1);
x=0:pi/225:2*pi;
y=abs((sin((N+2)/2*k*dtb*(1-cos(x)))./((N+2)*sin(k/2*dtb*(1-
cos(x))))).*sin(k*h*sin(x)));
z=abs((sin((N+2)/2*k*dtb*(1-cos(x)))./((N+2)*sin(k/2*dtb*(1-
cos(x))))).*(cos(pi/2*sin(x))./cos(x)));
figure
polar(x,z,'m')
title('Ve trong mat phang E');
figure
polar(x,y)
title('Anh huong cua dat den do thi buc xa cua he thong, trong
mat phang H');
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
17
2. Đồ thị bức xạ: f=300 MHz, h=15 m
Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E và H không tính ảnh hưởng của đất
Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E và H có ảnh hưởng của mặt đất
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
18
KẾT LUẬN
Qua các kết quả mô phỏng đạt được ta thấy rằng Anten là một hệ thống phức tạp,
khi thay đổi một vài thông số kỹ thuật trong khi thiết kế thì sẽ dẫn đến ảnh hưởng đến chất
lượng của Anten. Chẳng hạn như, khi tăng khoảng cách giữa các chấn tử lớn dần, hoặc
chọn số thanh dẫn xạ nhiều quá, thì sự bức xạ hướng tính của Anten càng tăng, đồng thời
số bức xạ phụ tăng lên, làm cho tín hiệu thu không được tốt hoặc rất khó thu. Nếu muốn
thu được tín hiệu truyền hình tốt thì ta phải điều chỉnh Anten thu hướng một cách chính xác
về hướng Anten phát của đài cầnthu. Vì vậy cần phải điều chỉnh các thông số trên sao cho
phù hợp để có được sự bức xạ tốt nhất, số bức xạ phụ nhỏ thì Anten thu sẽ thu được tín
hiệu tốt mà không gặp phải khó khăn trong việc điều chỉnh hướng của Anten thu theo một
hướng chính xác về phía Anten phát vì khi đó độ rộng bức xạ chính là lớn.
Bên cạnh đó, sử dụng các phương pháp tiếp điện để phối hợp trở kháng cũng là vấn
đề quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng thu của Anten. Ngoài ra trên Anten đã được thiết
kế, ta có thể mở rộng dải tần để thu được nhiều kênh hơn bằng cách ghép song song các
chấn tử dẫn xạ và dùng chấn tử vòng để cấp điện cho Anten.
Nhóm chúng em xin chân thành cám ơn thầy Nguyễn Khuyến đã hướng dẫn tận tình
trong quá trình chúng em làm bài tập lớn này!
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử
19
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Hoài Sơn, Ứng Dụng Matlab Trong Tính Toán Kỹ Thuật, NXB Đại
học Quốc gia Tp. HCM.
[2] Phan Anh, Lý Thuyết Và Kỹ Thuật Anten, NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật.
[3] Lê Tiến Thường, Trần Văn Sư, Truyền Sóng Và Anten, NXB Đại học Quốc gia
Tp. HCM
