Báo cáo bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài thiết kế anten yagi uda

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
*****  *****

BÁO CÁO

BÀI TẬP LỚN ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG
Đề tài:

Thiết kế Anten Yagi - Uda
Mã lớp : 136092
Giảng viên hướng dẫn : TS. Tạ Sơn Xuất
Nhóm sinh viên thực hiện

MSSV

Nguyễn Hoàng Long

20200365

Nguyễn Quốc Trung

20200646

Vũ Thế Duy

20200117

Vũ Hải Đăng

20200150

Hà Nội, tháng 2 năm 2023


LỜI MỞ ĐẦU
Ăng-ten Yagi-Uda là một trong những ăng ten endfire phổ biến nhất có thể được
thiết kế để đạt được mức khuếch đại trung bình với mức phân cực chéo tương đối thấp.
Bài báo cáo được hoàn thành nhằm mục đích tìm hiểu, củng cố và trang bị cho
bản thân kiến thức về Anten và sử dụng phần mềm. Báo cáo nêu nên chỉ tiêu kĩ thuật
của anten yagi-uda đồng thời thiết kế, mô phỏng và so sánh với bài báo. Để anten hoạt
động tốt và khi tính tốn hay mơ phỏng sẽ có một số kết quả khơng như mong đợi nên
cần tối ưu và thu được một số giá trị. Qua đó vận dụng những kiến thức thu thập được
để có thể vận dụng làm bài tập, ứng dụng vào mơn học, hồn thành bài tập lớn. Xin
chân thành cảm ơn thầy cô đã giúp đỡ, cung cấp tài liệu để em có thể hồn thành bài
báo cáo này.

1


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................3
LỜI NĨI ĐẦU.....................................................................................................4
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ ANTEN YAGI UDA.......................................5
1.1 Lịch sử anten Yagi Uda..............................................................................5
1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động..................................................................6
1.3. Đặc tính anten Yagi Uda..........................................................................10
1.4 Ứng dụng..................................................................................................10
CHƯƠNG 2 : TÍNH TỐN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN

YAGI UDA Ở DẢI TẦN 600 MHZ..................................................................12
2.1 Tính tốn các thơng số..............................................................................12
2.2 Mơ phỏng và tối ưu...................................................................................14
Tài liệu tham khảo..............................................................................................16
KẾT LUẬN........................................................................................................17

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Cấu tạo của anten Yagi-Uda....................................................................6
Hình 2 Anten Yagi với Boom bằng gỗ.................................................................8
Hình 3 Đồ thị bức xạ của anten Yagi.................................................................10
Hình 4 Sơ đồ anten Yagi-Uda............................................................................12
Hình 5 Hình ảnh sau khi thiết kế........................................................................14
Hình 6 Đồ thị dB(S(1;1)) sau khi tối ưu.............................................................14
Hình 7 Đồ thị Gain(dB)......................................................................................15
Hình 8. Đồ thị Smith của anten sau tối ưu.........................................................15

3


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay nhu cầu về thơng tin vơ tuyến đang phát triển rất mạnh mẽ trong hầu
hết các lĩnh vực từ thông tin di động, đến truy cập Internet không dây, y tế, môi
trường, v.v. Mỗi thiết bị vơ tuyến cần phải có anten để thu và phát tín hiệu. Vì vậy
Anten là
bộ phận khơng thể thiếu trong các thiết bị thu phát, truyền tin. Nhất là với công nghệ
kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay anten đã có những thay đổi
hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước…nhằm thoả mãn tối đa nhu cầu

của người sử dụng.
Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều loại anten mới được thiết kế thỏa mãn
các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông. Trong khuôn khổ đề tài này,
cùng với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, nhóm em sẽ đi sâu vào tìm hiểu về
anten Yagi, thiết kê và mô phỏng một an ten Yagi hoạt động ở tần số 600MHz, với các
thông số kỹ thuật phù hợp bằng phần mềm mô phỏng HFSS. Nội dung báo cáo gồm 2
chương:
Chương 1: Giới thiệu về anten Yagi Uda
Chương 2: Tính tốn các thơng số cần thiết,mơ phỏng anten Yagi
Kết luận

4


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ ANTEN YAGI UDA
1.1 Lịch sử anten Yagi Uda
Anten Yagi-Uda là loại anten định hướng rất phổ biến, được sử dụng rộng rãi
trong vô tuyến truyền hình, trong các tuyến thơng tin chuyển tiếp và trong các đài rada
sóng mét. Anten này phổ biến như thế vì nó có tính định hướng tương đối tốt mà kích
thước và trọng lượng khơng q lớn, cấu trúc lại đơn giản, dễ chế tạo. Các anten định
hướng như Yagi-Uda thường sử dụng trong những khu vực khó phủ sóng hay ở những
nơi cần vùng bao phủ lớn hơn vùng bao phủ của anten đẳng hướng.
Anten Yagi-Uda được phát minh năm 1926 bởi Shintaro Uda tại Đại học Hoàng
gia Tohoku, Sendai, Nhật Bản, dưới sự hướng dẫn của Hidetsugu Yagi. Yagi đã có
những chứng minh cho ý tưởng về anten định hướng nhưng việc thiết kế tương đối
phức tạp. Yagi đã xuất bản 1 tài liệu tham khảo bằng tiếng Anh đầu tiên về loại anten
này trong một bài báo khảo sát về nghiên cứu sóng ngắn năm 1928 tại Nhật Bản và nó
đã được trích dẫn dưới tên của ơng. Tuy nhiên, Yagi ln cơng nhận sự đóng góp
chính của Uda về thiết kế, và nếu khơng xem xét tính sáng tạo, tên đúng cho anten là
Yagi-Uda (hoặc mảng).

AntenYagi uda đã được sử dụng đầu tiên trong Thế chiến II cho các bộ đầu tiên
radar trên khơng, vì sự đơn giản và tính định hướng. Mặc dù được thiết kế ở Nhật Bản
nhưng mãi tới khi cuộc chiến tranh đã gần kết thúc, nhiều kĩ sư radar và các cơ quan
quân đội Nhật Bản mới lần đầu tiên biết đến công nghệ này. Sau trận Singapore, họ bắt
giữ ghi chép của một kỹ thuật viên radar Anh kể về "antenna yagi" và các cảnh sát tình
báo Nhật Bản thậm chí cịn khơng nhận ra rằng Yagi là một tên Nhật trong bối cảnh
này. Khi bị hỏi, kỹ thuật viên đã nói rằng đó là một anten được đặt tên theo một giáo
sư Nhật Bản.

5


1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Thành phần chính của Anten Yagi-Uda bao gồm một Dipole (hay còn gọi là
chấn tử chủ động) hoạt động ở tần số cộng hưởng với một hoặc nhiều chấn tử hỗ trợ.
Các chấn tử hỗ trợ bao gồm chấn tử phản xạ (Reflector) và chấn tử dẫn xạ (Director).
Hình 1 mơ tả sơ đồ cấu tạo các thành phần của anten Yagi [3].

Hình 1. Cấu tạo của anten Yagi-Uda

Từ hình 1 có thể thấy được rằng, anten Yagi bao gồm 4 thành phần chính:
 Boom: là phần tử nằm ngang dọc theo anten được sử dụng nhằm liên kết
các thành phần của anten lại với nhau.
 Driven Element (Dipole / chấn tử chủ động): phần tử chính của anten có
tác dụng phát ra hoặc thu nhận sóng vơ tuyến.
 Reflector (chấn tử phản xạ): là thành phần có chiều dài lớn nhất của anten,
nằm ở phía sau chấn tử chủ động (ngược hướng với các chấn tử dẫn xạ) có
tác dụng giúp cho anten có tính định hướng tốt hơn.
 Director (chấn tử dẫn xạ): tương tự như chấn tử phản xạ, chấn tử dẫn xạ
cũng được sử dụng nhằm mục đích tăng tính định hướng của anten.

6


Phân tích tác dụng các phần tử trong cấu trúc anten Yagi-Uda:
Thiết kế của anten Yagi có phần tử bức xạ chính (chấn tử chủ động) là một
Dipole hoạt động bằng nguồn điện được cấp trực tiếp. Các phần tử hỗ trợ định hướng
bao gồm chấn tử phản xạ và chấn tử dẫn xạ (hay còn gọi là phần tử “kí sinh”) được
liên kết với chấn tử chủ động thơng qua Boom nhưng không được nối trực tiếp với
chấn tử chủ động mà sử dụng nguyên lý bức xạ điện từ Maxwell lấy năng lượng bức
xạ phát ra từ chấn tử chủ động và bức xạ lại.
Cơ chế hoạt động của anten Yagi dựa trên sự sai khác về pha của sóng phát ra từ
Dipole so với sóng bức xạ từ các chấn tử hỗ trợ [4]. Sự sai khác về pha này tác động
lên toàn bộ hệ thống anten Yagi, khiến cho năng lượng được tập trung vào một hướng
cụ thể. Tín hiệu được tăng cường khi các sóng bức xạ ở các chấn tử hỗ trợ đồng pha
với nhau, trong khi ở các hướng lệch pha tín hiệu sẽ bị giảm dần và triệt tiêu. Biên độ
và pha ở các chấn tử hỗ trợ phụ thuộc vào 3 yếu tố chính bao gồm trạng thái của chấn
tử chủ động, chiều dài của các chấn tử hỗ trợ và khoảng cách giữa chúng. Nếu một
chấn tử hỗ trợ dài hơn chiều dài của chấn tử chủ động thì nó sẽ trở thành thành phần
điện cảm, ngược lại – điện dung. Dựa vào kiến thức thực tế này, các thành phần bức xạ
trong anten Yagi được chia làm 3 loại: chấn tử chủ động, bức xạ, phản xạ. Các phần tử
này được liên kết với nhau bởi thanh liên kết (Boom).
1. Boom: Trên lý thuyết, anten Yagi có thể hoạt động tốt mà không cần sử
dụng thanh liên kết các chấn tử. Thực tế, điều này chỉ xảy ra khi thanh liên
kết được làm bởi vật liệu cách điện (gỗ, sợi thuỷ tinh,…) và đi kèm với
một số điều kiện khác. Thanh liên kết khi được sử dụng trong thực tế có
thể dẫn điện hoặc cách điện tuỳ ý, chất liệu của Boom sẽ ảnh hưởng tới
chiều dài của các chấn tử khác trong quá trình thiết kế để đảm bảo được
đặc tính bức xạ của anten. Vì vậy, mặc dù khơng phải là thành phần bức
xạ chính trong thiết kế của anten Yagi nhưng Boom cũng ảnh hưởng ít

nhiều tới đồ thị bức xạ của anten. Các kết quả nghiên cứu chuyên sâu về
ảnh hưởng của Boom tới đồ thị bức xạ được mô tả trong [1].

7


Hình 2 Anten Yagi với Boom bằng gỗ

2. Driven Element (Dipole / chấn tử chủ động): là phần tử duy nhất bị điều
khiển trực tiếp bằng điện áp hoặc dòng điện xoay chiều, đồng nghĩa cũng
là thành phần có tác dụng thu phát sóng vơ tuyến của anten. Thơng
thường, Dipole nửa bước sóng hoặc Folded Dipole được sử dùng làm chấn
tử chủ động.
3. Director (chấn tử dẫn xạ): là thành phần định hướng chính của anten Yagi
với chiều dài ngắn hơn so với chấn tử chủ động. Các chấn tử dẫn xạ sẽ
thay đổi đồ thị bức xạ của sóng vơ tuyến đập vào nó bằng cách bức xạ lại
với một pha khác [5]. Sự lệch pha của các sóng tới này sau khi được tái
bức xạ sẽ được căn chỉnh sao cho các sóng bức xạ tạo ra được nhiều giao
thoa có ích nhất có thể, từ đó khiến cho tín hiệu tổng thể trở lên mạnh hơn.
Sự bức xạ của anten được định hướng về phía các chấn tử dẫn xạ nên các
chấn tử này được kích thích với cường độ khá mạnh và khi số chấn tử dẫn
xạ đủ lớn sẽ hình thành một kênh dẫn sóng. Điều này giải thích lí do tại
sao khi thêm càng nhiều chấn tử dẫn xạ thì sẽ càng tăng Gain cho anten,
đồng thời cùng khiến cho độ rộng chùm tia trở lên hẹp hơn (có tính định
hướng hơn). Thơng thường với mỗi một chấn tử dẫn xạ được thêm vào sẽ
tăng Gain thêm khoảng 1 dB theo chiều truyền sóng chính, khi càng nhiều
chấn tử được thêm vào thì Gain sẽ tăng chậm hơn.

8

4. Reflector (chấn tử phản xạ): được đặt ở sau chấn tử chủ động, thường
được thiết kế dài hơn 5% so với chấn tử chủ động, giúp tăng tính định
hướng của anten bằng cách “chặn” sóng tới từ các chấn tử khác. Không
giống như chấn tử dẫn xạ, thông thường ở mỗi anten Yagi chỉ có một chấn
tử làm nhiệm vụ phản xạ. Đó là vì trường bức xạ về phía ngược đã bị chấn
tử này làm yếu đáng kể, nếu có thêm một chấn tử nữa đặt tiếp sau nó thì
chấn tử phản xạ thứ hai sẽ được kích thích rất yếu và do đó cũng khơng
phát huy được tác dụng. Để tăng cường hơn nữa hiệu quả phản xạ, trong
một số trường hợp có thể sử dụng mặt phản xạ kim loại, lưới kim loại,…
Thông thường một chấn tử phản xạ sẽ tăng thêm khoảng 4-5 dB theo
hướng truyền sóng.
Đồ thị bức xạ của anten Yagi-Uda
Anten Yagi có chức năng giống như một mảng End-fire, có đồ thị bức xạ dọc
theo trục của mảng (các chấn tử) theo phương của các chấn tử dẫn xạ. Tương tự như
các anten định hướng hay các mảng end-fire khác, anten Yagi phát ra công suất lớn
theo một hướng nhất định nhằm tăng hiệu suất truyền và nhận tin, bên cạnh đó giảm và
triệt tiêu nhiễu từ các nguồn không mong muốn [6].

9


Hình 3 Đồ thị bức xạ của anten Yagi
Hình 3 biểu diễn đồ thị bức xạ của anten Yagi-Uda. Từ hình 3, ta có thể thấy được
rằng, anten Yagi có tính định hướng cao và chỉ định hướng theo một hướng duy nhất.

1.3. Đặc tính anten Yagi Uda
Ưu nhược điểm của anten Yagi:
Anten Yagi mang lại nhiều ưu điểm hơn các loại anten khác về:
 Gain: anten Yagi Uda có hệ số tăng ích cao, cho phép đầu thu nhận các tín hiệu

có cường độ thấp.
 Cấu tạo đơn giản: anten Yagi Uda tương đối đơn giản khi so sánh với các thiết
kế anten khác.
 Có tính định hướng cao vì phối hợp các chấn tử dẫn xạ (Directors), chấn tử
phản xạ (Reflector) và chấn tử chủ động (Driven element).
 Anten Yagi là một dạng thiết kế anten RF rất thực tế, là sự lựa chọn hiệu quả
nhất về chi phí cho các ứng dụng cần độ lợi và định hướng cao.
 Trọng lượng nhẹ, hiệu suất tốt, dễ dàng trong thi cơng và lắp đặt.
Bên cạnh đó anten Yagi Uda cũng tồn tại vài nhược điểm như:
 Dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường
 Băng thông bị giảm nếu số lượng phần tử định hướng được thêm vào nhiều hơn

10


1.4 Ứng dụng
Anten Yagi Uda được sử dụng rất rộng rãi trên các băng tần HF, VHF và UHF.
Anten Yagi có hệ số tăng ích cao, dải tần hẹp, trải trên khoảng một vài phần
trăm xung quanh tần số trung tâm và giảm khi tăng hệ số tăng ích, do đó, nó thường
được sử dụng trong các ứng dụng sử dụng tần số cố định.
Ứng dụng lớn nhất và được biết đến nhiều nhất là anten truyền hình mặt đất
thường được cố định trên tầng thượng, ngồi ra nó cũng được sử dụng cho các liên kết
truyền thông cố định điểm-điểm, trong anten radar và để liên lạc sóng ngắn qua các đài
phát sóng ngắn và vơ tuyến.

11


CHƯƠNG 2 : TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ VÀ MƠ
PHỎNG ANTEN YAGI UDA Ở DẢI TẦN 600 MHZ

2.1 Tính tốn các thông số
Thiết kế một Yagi antenna, nhỏ gọn, hoạt động ở dải tần 600 MHz, hệ số 12ong
hệ số tăng ích 12 dBi.
Từ dải tần trung bình ta tính được tần số trung tâm và bước 12ong là:
𝑓 = 600𝑀𝐻𝑧

λ=

𝑐
𝑓

8

3∗10 = 500mm
= 600∗1
6
0

Hình 4 Sơ đồ anten Yagi-Uda

12


Ta chọn mơ hình anten cần thiết kế với các thông số được chọn như sau:
 N=4 là số chấn tử dẫn xạ, (N= 1,2,3,4) mỗi chấn tử có chiều dài là Lx
 Một chấn tử phát xạ (chấn tử chủ động), chiều dài Lbx=0,45 λ
 Một chấn tử phản xạ, chiều dài Lpx
Thông thường độ dài chấn tử chủ động được chọn nhỏ hơn 0,5 λ, trong giới hạn
(0,45 ÷ 0,49) λ. Chiều dài chấn tử phản xạ thường lớn hơn 5% so với chấn tử chủ
động. Khoảng cách giữa chấn tử phản xạ và chấn tử chủ động được chọn trong giới

hạn (0,15÷0,25)λ. Độ dài chấn tử dẫn xạ thường ngắn hơn độ dài của chấn tử chủ động
5% và nằm trong khoảng (0,4÷0,45)λ. Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với chấn tử
dẫn xạ đầu tiên cũng như giữa các chấn tử dẫn xạ với nhau được chọn trong giới hạn
(0,35÷0,4)λ. Bán kính của chấn tử có độ dài 0.00425λ.
Với yêu cầu trên và tham khảo [2], chọn độ dài và khoảng cách của các chấn tử
Chiều dài của chấn tử phát xạ: Lbx=0,45λ=225mm
Chiều dài của chấn tử phản xạ: Lpx = 0,482λ=241mm
Khoảng cách giữa chấn tử phát xạ và chấn tử phản xạ:
SR= 0,2λ = 100mm
Khoảng cách giữa chấn tử bức xạ với dẫn xạ:
SD= 0,25λ = 125mm
L1=0,428λ= 214mm
L2=0,420λ= 210mm
L3=0,420λ= 210mm
L4=0,428λ= 214mm
Bán kính của các thanh là 0.00425λ
Chiều dài anten là : L = SR+SD*N= 600mm

13


2.2 Mơ phỏng và tối ưu
Hình ảnh sau khi thiết kế với các thơng số trên:

Hình 5 Hình ảnh sau khi thiết kế
Do còn hạn chế với kinh nghiệm tối ưu anten và thiết bị mô phỏng nên kết quả
tối ưu chưa được tốt. Thực hiện tối ưu khi thay đổi giá trị biến Lpx ta có đồ thị S(1;1)
như sau:

Hình 6 Đồ thị dB(S(1;1)) sau khi tối ưu

14


Ta thu được đồ thị Gain:

Hình 7 Đồ thị Gain(dB)

Đồ thị Gain (dB) đạt max là 12.47 dB, thỏa mãn yêu cầu của đề bài

Hình 8. Đồ thị Smith của anten sau tối ưu

15


Tài liệu tham khảo
[1]

D. Dobričić: Boom Distance Influence on Yagi Antenna, AntenneX
Issue No. 145 (2009)

[2]

/>accessed on February, 2023.

[3]

Last accessed on February, 2023.

[4]

Last accessed on February,
2023.

[5]

Last accessed on February, 2023.

[6]

Last accessed on February, 2023.

16


KẾT LUẬN
Sau một khoảng thời gian dài tìm hiểu và phân tích thiết kế, nhóm chúng em
đã tính tốn được mà mô phỏng thành công anten Yagi ở tần số 600MHz bằng phần
mềm HFSS. Anten mô phỏng thỏa mãn các thông số cũng như yêu cầu đã đề ra như độ
tăng ích lớn, tính định hướng cao..
Đối chiều với lý thuyết thu được kết quả khá trùng khớp như:
Fch= 600 MHz,
Đồ thị bức xạ, độ tăng ích, đồ thị smith và hướng bức xạ của anten dọc theo trục
anten và hướng về phía các chấn tử dẫn xạ. đồng thời tồn bộ năng lượng bức xạ về
phía trục âm bị chấn tử phản xạ chặn gần như hoàn toàn.
Qua quá trình nghiên cứu và thiết kế, chúng em đã rút ra được nhiều kinh
nghiệm cho bản thân, đồng thời hiểu hơn về anten Yagi cũng như các công đọan để
thiết kế ra một anten hoàn chỉnh. Đồng thời cũng qua việc thực hiện đề tài, chúng em
có thể hiểu hơn về các ứng dụng của anten Yagi tương ứng với từng dải tần trong thực
tế và đặc biệt là kĩ năng vận dụng lý thuyết được học để xây dựng mơ hình, sản phẩm

thực tế.
Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy cô đã hướng dẫn và giúp đỡ chúng em tận
tình trong thời gian chúng em tìm hiểu, phân tích và hồn thiện đề tài.
Trên đây là bài báo cáo của chúng em, mặc dù cịn nhiều thiếu sót nhưng cũng là
sự nỗ lực của bản thân. Rất mong được sự quan tâm và góp ý của thầy cơ.
Chúng em xin chân thành cảm ơn

17