bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài anten yagi uda

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

Giáo viên hướng dẫn: TS. Tạ Sơn Xuất

<small>Hà Nội, Ngày 07/07/2023</small>

<small>Page 1</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

<b>MỤC LỤC</b>

LỜI NĨI ĐẦU...3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĂNG TEN YAGI...4

1.1 Giới thiệu về anten Yagi...4

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động...4

2.2 Mô phỏng anten yagi với ANSYS...17

2.2.1 Khởi tạo chương trình, tạo project...17

2.2.2 Thiết lập các thông số cơ bản cho việc thiết kế...18

2.2.3 Xuất kết quả mô phỏng...30

KẾT LUẬN...32

Tài liệu tham khảo...33

<small>Page 2</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

<b>LỜI NĨI ĐẦU</b>

Ngày nay nhu cầu về thông tin vô tuyến đang phát triểnrất 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.... Mỗithiết bị vô tuyến cần phải có anten để thu và phát tín hiệu. Vìvậy Anten là bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị thuphát, truyền tin. Nhất là với công nghệ kết nối không dây đangphát triển rất mạnh như hiện nay anten đã có những thay đổihết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước…nhằmthoả mãn tối đa nhu cầu của người sử dụng.

Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều loại anten mớiđược thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệthống truyền thông. Trong khuôn khổ đề tài này, cùng với việctìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, nhóm em sẽ đi sâu vào tìmhiểu về anten Yagi, thiết kê và mô phỏng một an ten Yagi hoạtđộng ở tần số trung tâm 600MHz, với các thông số kỹ thuậtphù hợp bằng phần mềm mô phỏng ANSYS.

<small>Page 3</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b> Anten Yagi được dùng rộng rãi trong vơ tuyến truyền</b>

hình, trong các tuyến thơng tin chuyển tiếp và trong các đàirada sóng mét. Anten này đươc dùng phổ biến như thế vì nố cótính định hướng tương đối tốt mà kích thước và trọng lượngkhơng lớn lắm, cấu trúc lại đơn giản, dễ chế tạo.

<b>1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động </b>

Sơ đồ của anten Yagi gồm : một chấn tử chủ động(driven element) thường là chấn tử nửa sóng, một chấn tửphản xạ (reflector) và một số chấn tử dẫn xạ thụ động(directors) được gắn trực tiếp với thanh đỡ kim loại. Nếu chấntử chủ động là trấn tử vòng dẹt thì nó cũng có thể gắn trực tiếpvới thanh đỡ và kết cấu anten sẽ trở nên đơn giản. Việc gắn

<small>Page 4</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

trực tiếp các chấn tử lên thanh kim loại thực tế sẽ khơng ảnhhưởng gì đến phân bố dịng điện trên anten vì điểm giữa cácchấn tử cũng phù hợp với nút của điện áp. Việc sử dụng thanhđỡ bằng kim loại cũng khơng ảnh hưởng gì đến bức xạ củaanten vì nó được đặt vng góc với các chấn tử.

Để tìm hiểu nguyên lý làm việc của anten ta hãy xétmột anten Yagi đơn giản gồm 3 chấn tử : một chấn tử chủ động(A), hai chấn tử thụ động gồm: chấn tử phản xạ (P) và chấn tửdẫn xạ (D). Chấn tử chủ động (A) được nối với máy phát caotần . Dưới tác dụng của trường bức xạ tạo bởi A, trong P và Dsẽ xuất hiện dòng cảm ứng và các chấn tử này sẽ trở thànhnguồn bức xạ thứ cấp. Như đã biết, nếu chọn được độ dài của Pvà khoảng cách từ A đến P một cách thích hợp thì P sẽ trởthành trấn tử phản xạ của A. Khi ấy năng lượng bức xạ của cặpA – P sẽ giảm yếu về phía chấn tử phản xạ và được tăng cườngtheo hướng ngược lại (hướng +z). Tương tự như vậy, nếu chọnđược độ dài của D và khoảng cách từ D đến A một cách thíchhợp thì D sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ của A. Khi ấy, năng lượngbức xạ của hệ A – D sẽ được tập trung về phía chấn tử dẫn xạvà giảm theo hướng ngược lại (hướng –z). kết quả là nănglượng bức xạ của cả hệ sẽ được tập trung về một phía, hìnhthành một kinh dẫn sóng dọc theo trục anten, hướng từ phíachấn tử phản xạ về phía chấn tử dẫn xạ.

Theo lý thuyết chấn tử ghép, dòng điện trong chấntử chủ động (I1) và dòng điện trong chấn tử thụ động (I2) cóquan hệ với nhau bởi biểu thức:

<small>Page 5</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

<i><small>Sự phụ thuộc giữa và với X22</small></i>

Càng tăng khoảng cách d thì biên độ dịng trong chấn tửthụ động càng giảm. Tính tốn cho thấy với d (0.1÷0,25)λthì khi điện kháng của chấn tử thụ động mang tính cảm khángsẽ nhận được I2 sớm pha hơn so với I1. Trong trường hợp nàychấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử phản xạ. Ngược lại khiđiện kháng của chấn tử thụ động mang tính dung kháng thì

<small>Page 6</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

dịng I2 sẽ chậm pha so với I1 và chấn tử thụ động sẽ trở thànhchấn tử dẫn xạ.

<i><small> Phương hướng của cặp chấn tử chủ động và thụ động</small></i>

Hình trên là đồ thị phương hướng của cặp chấn tử chủđộng và thụ động khi d = 0,1 ứng với các trường hợp khác

nhau của

arctg ^X

R . Từ hình vẽ ta thấy : Khi

<small>2222</small>arctg^X 0

RThì chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ.

Còn khi

arctg ^X 0

R Thì chấn tử thụ động trở thành chấntử dẫn xạ.

Trong thực tế việc thay đổi điện kháng X của chấn tử thụ động<small>22</small>được thực hiện bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử : khi độdài chấn tử lớn hơn độ dài cộng hưởng sẽ có X >0, còn khi độ<small>22</small>dài chấn tử nhỏ hơn độ dài cộng hưởng sẽ có X <0. Vì vậy<small>22</small>chấn tử phản xạ thường có độ dài lớn hơn 2cịn chấn tử dẫnxạ thường có độ dài nhỏ hơn 2. Thơng thường, ở mỗi anten

<small>Page 7</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

Yagi chỉ có một chấn tử làm nhiệm vụ phản xạ. Đó là vì trườngbức xạ về phía ngược lại bị chấn tử này làm yếu đáng kể, nếucó thêm một chấn tử nữa đặt tiếp xúc sau đó thì chấn tử phảnxạ thứ hai sẽ được kích thích rất yếu và do đó nó cũng khơngphát huy được tác dụng. Để tăng cường hơn nữa hiệu quả phảnxạ, trong một số trường hợp có thể sử dụng mặt phản xạ kimloại, lưới kim loại, hoặc một tập hợp vài chấn tử đặt ở khoảngcách giống nhau so với trấn tử chủ động, khoảng cách giữachấn tử chủ động và chấn tử phản xạ thường được chọn tronggiới hạn (0.1÷0,25)λ.

Trong khi đó, số lượng chấn tử dẫn xạ có thể khá nhiều. Vìsự bức xạ của anten dược định hướng về phía các chấn tử dẫnxạ 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 dẫnsóng. Số chấn tử dẫn xạ có thể từ 2 10, đơi khi có thể lớn hơn(tới vài chục). Khoảng cách giữa chấn tử chủ động và chấn tửdẫn xạ đầu tiên, cũng như giữa các chấn tử dẫn xạ được chọntrong khoảng (0,35÷0,4)λ. Để có hệ số định hướng cực đại theohướng bức xạ chính, kích thước của các chấn tử chấn xạ vàkhoảng cách giữa chúng cần được lựa chọn thích đáng sao chođạt được quan hệ xác định đối với dòng điện trong các chấn tử.Quan hệ tốt nhất cần đạt được với các dòng điện này là tươngđối đồng đều về biên độ,với giá trị gần bằng biên độ dòng điệncủa chấn tử chủ động, và chậm dần về pha khi di chuyển dọctheo trục anten, từ chấn tử chủ động về phía các chấn tử dẫnxạ. Khi đạt được quan hệ nói trên, trường bức xạ tổng của cácchấn tử sẽ được tăng cường theo một hướng (hướng của cácchấn tử dẫn xạ) và giảm nhỏ theo các hướng khác. Thường

<small>Page 8</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

điều kiện để đạt được cực đại của hệ số định hướng về phía cácchấn tử dẫn xạ cũng phù hợp với điều kiện để đạt được bức xạcực tiểu về phía các chấn tử phản xạ. Do vậy, khi anten dẫn xạđược điều chỉnh tốt thì bức xạ của nó sẽ trở thành đơn hướng.Vì đặc tính bức xạ của anten có quan hệ rất mật thiết với cáckích thước tương đối của anten (kích thước so với bước sóng)nên anten Yagi thuộc loại anten dải hẹp. Dải tần số của anten,khi hệ số định hướng ở hướng chính biến đổi dưới 3 dB, đạtđược khoảng vài phần trăm. Khi số lượng chấn tử dẫn xạ khálớn, việc điều chỉnh thực nghiệm đối với anten sẽ rất phức tạpvì khi thay đổi độ dài hoặc vị trí của mỗi chấn tử sẽ dẫn đến sựthay đổi biên độ và pha của dòng điện trong tất cả các chấn tử.

<b>1.3. Hệ số sóng chậm</b>

Việc xác định sơ bộ các kích thước và thơng số của antencó thể được tiến hành theo phương phương pháp lý thuyếtanten sóng chậm (anten sóng chậm có vận tốc pha nhỏ hơnvận tốc ánh sáng). Giả thiết các chấn tử dẫn xạ có độ dài bằngnhau và gần bằng một nửa bước sóng, chúng được đặt cáchđiện đều nhau dọc theo trục và tạo thành một cấu trúc sóng

chậm (sóng mặt), với hệ số sóng chậm

¹cv

.

Giả thiết dòng trong các chấn tử có biên độ bằng nhaunhưng lệch pha nhau ∆ . Nếu d là khoảng cách giữ hai chấn tử

<small>Page 9</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<small>Page 10</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

tương đương với một hệ thống thẳng liên tục, bức xạ trục. Hệsố chậm của sóng trong hệ thống được xác định theo bảng 2.1.Với độ dài của anten L Nd đã biết, có thể xác định đượchệ số chậm tốt nhất (ứng với bước sóng cơng tác trung bình <small>0</small>

) theo cơng thức:

Ta hãy khảo sát một ví dụ: Giả sử cần thực hiện một antendẫn xạ để làm việc trong dải tần 200 ÷ 10MHz, độ dài antencho trước là 3m, sao cho sẽ nhận được hệ số định hướng là cựcđại khi số phần tử của anten là ít nhất.

Trường hợp này, độ dài của anten là L/ <small>0</small>= 2 và dải thôngtần yêu cầu bằng 10%. Ta cần chọn thông số ^{d l}^/ ^0,5để nhậnđược hệ số định hướng gần bằng 12dB. Đồng thời, với độ dàianten đã cho sẽ tính được hệ số sóng chậm tốt nhất <small>opt</small> ^{1, 25}.

Từ bảng 2.1 sẽ xác định được độ dài chấn tử 2 ^1,3kl

( ứng với2

l ). Từ đó suy ra 0, 22. <small>0</small>2

và số chấn tử của anten bằng

<small>Page 11</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

10 ( trong đó có một chấn tử phản xạ, một chấn tử chủ động và8 chấn tử dẫn xạ ).

<b>1.4. Đặc trưng hướng</b>

<i><small> Mơ hình anten Yagi</small></i>

Ta chọn mơ hình anten Yagi (như hình trên ) là một tậphợp các chấn tử nửa sóng giống nhau, chấn tử chủ động A đượcđặt ở gốc tọa độ. Vị trí của các chấn tử thụ động trên trục zđược đặc trưng bởi các tọa độ z , với n = <small>n</small> 1, N

( N là sốchấn tử dẫn xạ) và bởi tọa độ z đối với chấn tử phản xạ. <small>p</small>

Việc điều chỉnh đối với mỗi chấn tử thụ động sẽ được thựchiện bởi các điện kháng biến đổi được iX , iX , iX<small>p12</small>,...,iX<small>n </small>ứng vớivị trí cố định của các chấn tử và với giá trị của các điện khángđiều chỉnh đã chọn, biên độ phức tạp của dòng điện trong mỗichấn tử sẽ được xác định khi giải hệ phương trình Kirchhoff đốivới hệ (N+2) chấn tử ghép.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

Trong đó R<small>pp</small>, R<small>AA</small>, R<small>11</small>, R<small>22</small>, …,R là phần thực của trở<small>NN</small>kháng riêng của chấn tử phản xạ, chấn tử chủ động và cácchấn tử dẫn xạ. Các trở kháng tương hỗ Z<small>pA</small>=Z<small>Ap</small>, Z<small>p1</small>=Z ,<small>1p</small>Z<small>A1</small>=Z<small>1A</small>, …,Z<small>nk</small>=Z<small>kn</small> có thể được xác định theo cơng thức của lýthuyết anten ( phương pháp sức điện động cảm ứng) hoặc tínhtheo các bảng cho sẵn. Các đại lượng X , X , X , X , …,X<small>pA12N </small>làđiện kháng toàn phần của chấn tử phản xạ, chấn tử chủ độngvà các chấn tử dẫn xạ, trong đó bao gồm điện kháng riêng củamỗi chấn tử và điện kháng điều chỉnh đối với mỗi chấn tử nếucó. Đại lượng U trong công thức (2.3) là điện áp đặt ở đầu vàochấn tử chủ động và có thể chọn tùy ý (ví dụ : U=1V).

Theo các trị số dịng điện tìm được khi giải hệ phươngtrình (2.3) sẽ tính được hàm phương hướng tổ hợp:

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

Đối với mặt phẳng H thì (2.4) cũng chính là hàm phươnghướng của cả hệ cịn đối với mặt phẳng E thì hàm phươnghướng của hệ sẽ bằng tích của hàm tổ hợp (2.4) với hàmphương hướng riêng của chấn tử:

¹

cossin2( )

<small>0</small> ( 0 )( 0 )

R trong đó :

D<small>1</small>= 1,64 là hệ số định hướng của chấn tử nửa sóng. R = 73,1 <small>11</small> là điện trở riêng của chấn tử nửa sóng (nghĩa là của một phần tửanten).

Cũng có thể tính theo cơng thức:

<small>Page 14</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

<b> 1.6. Ứng dụng </b>

<b> Sau đây là một số ứng dụng phổ biến của anten Yagi-Uda:</b>

<small> </small>Truyền sóng TV và đài phát thanh: Anten Yagi-Uda thường được sưt dụng để thu sóng TV và đài phát thanhftrong các hệ thống tiếp sóng khơng dây. Nhờ tính chất định hướng của nó, nó có thể tập trung tín hiệu thu vào một dụng cụ định hướng, làm tăng chất lượng tín hiệu và phạm vi thu sóng.

WiFi và mạng khơng dây: Anten Yagi-Uda có thể được sử dụng trong các hệ thống wifi và mạng khơng dây để tăng cường phạm vi sóng và hiệu quả kết nối. Bằng cách định hướngtín hiệu, nó có thể giảm nhiễu và tăng độ nhạy của anten, cải thiện khả năng thu và phát sóng cảu mạng không dây. Radar: Anten Yadi-Uda được sủ dụng trong các hệ thống radar để phát và thu sóng radar. Thiết kế tín hiệu hướng tín hiệu cảu anten này cho phép tập trung năng lượng radar của nó theo hướng chính xác nhất, làm tăng độ nhạy và phạm vi của hệ thống radar.

Liên lạc không dây: Anten Yagi-Uda cũng được sử dụng trong các ứng dụng liên lạc không dây như radio CB (Citizen Ban) và các hệ thống bộ đàm. Với khả năng tập trung tín hiệu và tăng độ nhạy, nó cung caaos khả năng liên lạc từ xa và cải thiện chất lượng âm thanh.

Đài phát thanh: Anten Yagi-Uda đã được sử dụng trong các trạm phát thanh AM và FM để tăng cường tín hiệu và phạm vi phát sóng. Thiết kế hướng tín hiệu của nó giúp giảm nhiễu và tăng cướng sự thu hút của anten đối với tín hiệu sóng vơ tuyến. Trên đây là những úng dụng phổ biến nhất cảu anten Uagi-Uda ngoài ra nó cịn nhiều ứng dụng khác nhau trong các hệ thống truyền thông và liên lạc không dây.

<small>Page 16</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

<b>CHƯƠNG II. TÍNH TỐN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔPHỎNG ANTEN YAGI Ở TẦN SỐ TRUNG TÂM</b>

<b>600MHz HỆ SỐ TĂNG ÍCH LỚN HƠN 12 dB</b>

<b>2.1 Tính tốn các thơng số</b>

Ta có tần số trung tâm và bước sóng là:

λ = = 500mm

<small>Page 17</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

<i><small>Hình 2.1- Cấu trúc Ăng-ten Yagi Uda</small></i>

Ta chọn mơ hình anten cần thiết kế với các thơng số đượcchọn như sau:

• N=5 là số chấn tử dẫn xạ, (N= 1,2,…,5) mỗi chấn tử có chiều dài là Lx

• Một chấn tử phát xạ (chấn tử chủ động) ký hiệu 0, chiều dài Lbx=0.5* λ

• Một chấn tử phản xạ ký hiệu -1, chiều dài Lpx

Chấn tử chủ động dùng làm anten là chấn tử nửa sóng.Đối với loại anten này dịng trong chấn tử thụ động được cảmứng do trường tạo bởi chấn tử chủ động. Thường thì độ dàithanh phát xạ được chọn trong giới hạn (0,45÷0,49)λ. Chiềudài chấn tử phản xạ thường lớn hơn khoảng 5% so với chiều dàicủa chấn tử phát xạ. Còn khoảng cách giữa thanh phản xạ vàthanh phát xạ được chọn trong giới hạn (0.1÷0,25)λ. độ dàithanh dẫn xạ chọn ngắn hơn độ dài của chấn tử chủ động vàbằng (0,4÷0,45)λ. Khoảng cách giữa chấn tử chủ động vớithanh dẫn xạ đầu tiên cũng như giữa các thanh dẫn xạ với

<small>Page 18</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Để tăng G của anten ta có 2 phương án:Thay đổi khoảng cách giữa các chấn tửThay đổi kích thước của các chấn tử

Trong bài tập lớn này chúng em lựa chọn phương pháp thayđổi kích thước của các chấn tử, cụ thể là chấn tử phản xạ vàchấn tử phát xạ, chúng em sẽ thử thay đổi kích thước chấn tửphát xạ trong khoảng (0,43÷0,51) λ cùng với đó chấn tử phảnxạ sẽ có độ dài lớn hơn 0,05 λ so với chấn tử phát xạ ( vì theolý thuyết chiều dài chấn tử phản xạ thường lớn hơn khoảng 5%so với chiều dài của chấn tử phát xạ ).

Đây là bảng thông số sau khi thực hiện với các Lbx, Lpx thayđổi:

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Lpx = 0.5*λ = 250 mmChiều dài anten là :

L = 0.25*λ + 5*0.35* λ = 1000 mm

<b>2.2.1 Khởi tạo chương trình, tạo project</b>

<i>- Khởi động chương trình: Program => Ansoft => HFSS => HFSS</i>

- Tạo project mới:

<small>Page 20</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

File=> new một project được tạo tự động

Click phải chuột vào project=>insert=>Insert HFSS Design tađược như hình vẽ:

<small>Page 21</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

<b>2.2.2 Thiết lập các thơng số cơ bản cho việc thiết kế.</b>

- Chọn Modeler=>Units=>chọn mm

HFSS=>Solution Type => xuất hiện bảng như hình vẽ

Chọn Driven Modal đối với dải tần thấp.Thiết kế các thành phần của anten

Sau khi đã có số liệu các thành phần anten ta tiến hành thiết kế.

<small>Page 22</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

<i>Thiết kế: 1 bên của chấn tử bức xạ</i>

Draw =>Cylinder => Xuất hiện một bảng chứa các thông số Ta nhập các thơng số cho chấn tử bức xạ như hình vẽ:

<small>Page 23</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<i><small>anten và truyền sóng</small></i>

Tạo bên đối xứng cịn lại của chấn tử bức xạ:

Kích phải chuột vào nửa phần tử bức xạ =>Edit=>Duplicate =>AroundAxit

Xuất hiện 1 bảng:

<small>Page 24</small>

</div>