tìm hiểu về anten yagi

Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay nhu cầu về thông tin vô 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 vô tuyến cần phải có anten để thu và phát tín hiệu.
Vì vậy Anten là bộ phận không 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. Anten Yagi cũng rất
thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng
cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần
2.4GHz (2400– 2484MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350MHz).
Trong khuôn khổ đề tài này, cùng với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật
anten, tôi sẽ đi sâu vào tìm hiểu về anten Yagi, và mô phỏng, thiết kế một an ten
Yagi hoạt động ở tần số 2.4GHz, với các thông số kỹ thuật phù hợp để có được
độ lợi cao và băng thông rộng bằng phần mềm mô phỏng HFSS. Nội dung khóa
luận bao gồm 4 chương:
Chương I: Tổng quan: trình bày lý thuyết về anten, nêu ra các loại anten
và một số những thông số của anten.
Chương II: Anten Yagi: Trình bày chi tiết về anten Yagi: cấu tạo, nguyên
lý hoạt động, và các thông số cần quan tâm.
Chương III: Mô phỏng, thiết kế anten Yagi hoạt động ở tần số 2,4Ghz:
trình bày các kết quả thu được của việc mô phỏng Yagi trên HFSS.
Chương IV: Đưa ra những kết quả thu được thông qua việc mô phỏng.
Thảo luật hướng phát triển đề tài.
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
1

Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về anten
Anten là những hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ.
Anten có thể được xem như là các thiết bị dùng để truyền năng lượng trường
điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn
tập trung nào như: cáp đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang.
Trong nhiều ứng dụng, các anten có thể cạnh tranh với các phương tiện
truyền dẫn khác để phát và chuyển tải năng lượng trường điện từ. Thông thường
suy hao trường điện từ trong các vật liệu sẽ tăng nhanh theo tần số. Điều này
được hiểu ngầm rằng, khi tần số tăng thì việc dùng các phần dẫn sóng bằng vật
liệu sẽ kém thuyết phục và kém hiệu quả trong việc chuyển tải năng lượng
trường điện từ. (Điều này cũng có nghĩa là hiệu suất của anten cũng tăng theo tần
số). Do đó thực tế Anten được ưa chuộng hơn trong việc chuyển tải các trường
điện từ ở tần số cao.
Sóng điện từ, nền tảng của lý thuyết anten, được xây dựng trên cơ sở
những phương trình cơ bản của điện học và từ học. Maxwell đã hệ thống một
cách khái quát toàn bộ lý thuyết trên thành một hệ phương trình rất nổi tiếng và
rất quan trọng: hệ phương trình Maxwell.
1.1.1 Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến
Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện bằng hai
con đường. Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dây
song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, v.v… “chuyên chở” sóng điện từ trực
tiếp trên đường truyền dưới dạng dòng điện. Sóng điện từ lan truyền trong hệ
thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến). Cách truyền này tuy có
độ chính xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền.
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến

2
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp không thể xây
dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay thế bằng cách
cho sóng điện từ bức xạ ra môi trường tự do. Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng
sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến nơi thu. Vậy cần phải có một thiết
bị phát sóng điện từ ra không gian cũng như thu nhận sóng điện từ từ không
gian, để đưa vào máy thu. Loại thiết bị này được gọi là anten.
Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô
tuyến điện nào, bởi vì đã là hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử
dụng sóng điện từ, thì không thể không dùng đến thiết bị để bức xạ hoặc thu
sóng điện từ (thiết bị anten).
Anten là một cấu trúc được làm từ những vật liệu dẫn điện tốt, được thiết
kế để có hình dạng kích thước sao cho có thể bức xạ sóng điện từ theo một kiểu
nhất định một cách hiệu quả.
1.1.2 Các loại anten
Trong thực tế ta thường gặp một số loại anten như: Anten dây (thanh)
anten khe, anten vi dải, anten phản xạ, anten thấu kính, và hệ thống bức xạ.
Hình 1.1: Các loại Anten
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
3
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
Hình 1.2: Hệ thống bức xạ
1.1.3 Các thông số kỹ thuật
Để lựa chọn một anten đáp ứng được nhu cầu như tốc độ nhanh,tính năng
phong phú,vùng phủ sóng rộng, ta cần phải quan tâm đến các thông số kỹ thuật
của anten. Một anten có các thông số kỹ thuật phù hợp sẽ mang đến một không

gian làm việc “rộng rãi” hơn. Chúng bao gồm dạng bức xạ của anten, hướng tính
của anten, độ lợi, trở kháng vào, sự phân cực.
1.1.3a_ Hướng tính của anten (directivity of anten)
Hướng tính của anten mô tả cường độ của một bức xạ theo một hướng xác
định tương ứng với cường độ bức xạ trung bình hay nói cách khác, nó cho biết
mật độ công suất bức xạ tương ứng với công suất bức xạ được phân tán một cách
đồng dạng.
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
4
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
1.1.3b_ Độ lợi (gain)
Gain cũng diễn tả cùng một khái niệm như directivity nhưng nó còn bao
gồm cả sự mất mát (về công suất) của chính bản thân anten. Bạn có thể định
nghĩa độ bức xạ hiệu dụng được sử dụng để mở rộng directivity giúp xác định
được độ lợi; một bộ bức xạ hoàn hảo sẽ có độ bức xạ hiệu dụng bằng 1. Độ lợi là
một thuật ngữ mô tả sự tăng biên độ của tín hiệu vô tuyến, đơn vị đo là decibel
(dB) hay dBi để chỉ độ lợi của anten đẳng hướng (isotropic) và dBd để chỉ độ lợi
của anten dipole nửa bước sóng (half-wave dipole). Độ lợi G của anten là tỉ số
giữa cường độ bức xạ U ở một hướng cho trước và cường độ bức xạ, nếu công
suất cung cấp cho anten được bức xạ đẳng hướng.

( , )
( , ) 4
in
U
G
P
θ ϕ

θ ϕ π
=

Độ lợi là đại lượng vô hướng, rất giống với độ hướng tính D. Khi anten
không thất thoát, tức là khi P
in
= Π, từ đó
( , ) ( , )G D
θ ϕ θ ϕ
=
.Theo đó, độ lợi của
anten đưa vào để tính toán mất mát của hệ thống anten. Nó được tính toán thông
qua công suất vào, đây là một đại lượng có thể tính được, không giống như độ
hướng tính, nó được tính thông qua công suất bức xạ Π.
Có nhiều nhân tố làm xấu đi quá trình truyền năng lượng từ bộ phát đến
anten (hoặc từ anten đến bộ thu):
· Thất thoát do không phối hợp trở kháng.
· Thất thoát do đường truyền.
· Thất thoát do anten: thất thoát điện môi, thất thoát do tính dẫn, thất thoát
phân cực.
Công suất bức xạ bởi anten luôn bé hơn công suất đưa vào hệ thống
anten, Π ≤ P
in
, trừ khi anten được tích hợp những linh kiện tích cực. Điều đó giải
thích tại sao G ≤ D . Theo chuẩn IEEE, độ lợi không bao gồm những mất mát có
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
5
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN

nguồn gốc từ không phối hợp trở kháng và từ phân cực không khớp. Vì thế, độ
lợi chỉ đưa vào để tính toán thất thoát điện môi và tính dẫn của anten.
Công suất bức xạ có liên quan đến công suất vào thông qua một hệ số gọi
là hiệu suất bức xạ:

.
in
e P
=
∏
,
1e
≤


( , ) . ( , )G e D
θ ϕ θ ϕ
→ =

Anten có độ lợi càng cao thì khoảng cách sóng đi càng xa. Việc tập
trung công suất phát của chúng chặt chẽ hơn làm cho nhiều năng lượng được
truyền đến đích hơn,ở khoảng cách xa hơn.
1.1.3c_ Sự phân cực (polarization)
Sự phân cực của sóng là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vectơ trường khi
được quan sát dọc theo chiều truyền sóng. Sự phân cực của anten có thể được
phân loại như tuyến tính, tròn hay ellip. Sóng vô tuyến thực chất được tạo bởi 2
trường: điện trường và từ trường. Hai trường này nằm trên 2 mặt phẳng vuông
góc với nhau.
Tổng của 2 trường được gọi là trường điện từ. Mặt phẳng song song với
thành phần anten được gọi là E-plane, mặt phẳng vuông góc với thành phần

anten được gọi là H-plane. Chúng ta chỉ quan tâm chủ yếu đến điện trường vì vị
trí và hướng của nó trong mối tương quan đến bề mặt trái đất sẽ quyết định sự
phân cực của sóng. Sự phân cực là huớng vật lý của anten theo phương ngang
(horizotal) hay dọc (vertical). Điện trường là song song với thành phần bức xạ
của anten vì thế nếu anten nằm dọc thì cực của anten là dọc hay còn gọi là phân
cực dọc (điện trường vuông góc với mặt đất). Phân cực dọc thường được sử
dụng trong mạng Wi-Fi (WLAN) là vuông góc với mặt phẳng của trái đất. Phân
cực ngang là song song với mặt đất.
1.1.3d_ Độ rộng băng tần (băng thông)
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
6
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
Đó là dãy tần số, trong đó những đặc tính của anten (trở kháng ngõ vào,đồ
thị) phù hợp để hoạt động ổn định. Những đặc tính đó được yêu cầu là phải chắc
chắn, có thể là trở kháng vào, đồ thị bức xạ, độ rộng chùm tia, độ phân cực, bức
bức xạ phụ, độ lợi, độ hướng tính, hiệu suất bức xạ. Riêng băng thông có thể
gồm: trở kháng theo tần số, đồ thị băng tần…
FBW của anten dãy rộng có thể được miêu tả bằng tỉ số tần số trên đến
tần số dưới, trong đó chất lượng anten có thể chấp nhận được:
ax
min
m
f
FBW
f
=
(1.4)
Với anten băng hẹp, FBW được diễn tả là tỉ lệ phần trăm của hiệu tần số

băng thông với tần số trung tâm:
ax min
0
.100%
m
f f
FBW
f
−
=
(1.5)
Thông thường,
0 ax min
( ) / 2
m
f f f
= +
hoặc
0 min axm
f f f
=
Băng thông (BW) có thể xác định thông qua hệ số sóng đứng (VSWR), sự
thay đổi của trở kháng vào theo tần số hay các thông số bức xạ.
BW được xác định bởi vùng tần số mà tại đó khả năng phối hợp trở kháng
của anten nằm trong một giới hạn cho trước.

1VSWR
BW
Q VSWR
−

=

trong đó Q là hệ số phẩm chất.
Với VSWR được xác định bởi hệ số phản xạ Γ:

1 | |
1 | |
VSWR
+ Γ
=
− Γ
1.1.3e_Trở kháng (Impedance)
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
7
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
Sự bức xạ hiệu dụng của một anten là “tỷ số của tổng công suất phát ra bởi
anten so với công suất từ trạm phát (nối với anten) được chấp nhận bởi anten”.
Anten bức xạ một số công suất ở dạng năng lượng điện từ. Tất cả các thiết bị RF,
đường truyền (cáp), anten đều có trở kháng, chính là tỷ số giữa điện áp và dòng
điện. Khi anten được kết nối với một đoạn cáp, nếu trở kháng đầu vào của anten
trùng khớp với trở kháng của radio và đường truyền thì tổng công suất được
truyền từ radio đến anten là tối đa. Tuy nhiên, nếu trở kháng không giống nhau
thì một số năng lượng sẽ bị phản xạ ngược trở lại nguồn và số còn lại sẽ được
truyền đi đến anten.
1.1.3f_ Tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR)
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) xuất hiện khi trở kháng không
tương thích giữa các thiết bị trong hệ thống RF. VSWR được gây ra bởi một bộ
tín hiệu RF bị phản xạ tại điểm trở kháng không tương thích trên đường truyền

tín hiệu. Nếu như không có phản xạ thì VSWR sẽ bằng một. Khi VSWR tăng lên
thì sự phản xạ sẽ càng nhiều. Nếu VSWR cao và công suất cao thì có thể gây ra
tình huống nguy hiểm như khi ta sử dụng điện áp cao trong đường truyền, trong
trường hợp tồi tệ nhất, nó có thể bắn ra tia lửa điện. Tuy nhiên, tình huống này sẽ
không xảy ra nếu bạn sử dụng công suất thấp khi triển khai mạng WLAN.
Phương thức thay đổi VSWR bao gồm việc sử dụng thiết bị thích hợp, kết nối
chắc chắn giữa cáp và đầu nối, sử dụng trở kháng tương thích giữa các thiết bị
phần cứng và sử dụng các thiết bị chất lượng cao là các phương thức tốt chống
lại VSWR. Tỷ số này thường là 1,5:1
1.1.3g_ Búp sóng (beamwidt)
Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi của
anten. Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà anten phát ra. Búp sóng dọc
được đo theo độ và vuông góc với mặt đất, còn búp sóng ngang cũng được đo
theo độ và song song với mặt đất. Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp
sóng khác nhau.
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
8
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
Việc chọn lựa anten có búp sóng rộng hay hẹp thích hợp là việc làm quan
trọng để đạt được hình dạng vùng phủ sóng mong muốn. Búp sóng càng hẹp thì
độ lợi càng cao.
CHƯƠNG II
ANTEN YAGI
2.1 Giới thiệu về anten Yagi
Anten Yagi là loại anten định hướng rất phổ biến bởi vì chúng dễ chế tạo.
Các anten định hướng như Yagi 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 omni-
directional. Anten Yagi hay còn gọi là anten Yagi-Uda (do 2 người Nhật là

Hidetsugu Yagi và Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926) được biết đến như là
một anten định hướng cao được sử dụng trong truyền thông không dây. Loại
anten này thường được sử dụng cho mô hình điểm- điểm và đôi khi cũng dùng
trong mô hình điểm-đa điểm. Anten Yagi-Uda được xây dựng bằng cách hình
thành một chuỗi tuyến tính các anten dipole song song nhau
Anten Yagi được dùng rộng rãi trong vô tuyến truyền hình, trong các tuyến
thông tin chuyển tiếp và trong các đài rada sóng mét. Anten này đươc dùng phổ
biến như thế vì nố có tính định hướng tương đối tốt mà kích thước và trọng
lượng không lớn lắm,cấu trúc lại đơn giản, dễ chế tạo.
2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
9
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN

Hình 2.1 : Mô hình Anten Yagi
Sơ đồ của anten Yagi gồm : một chấn tử chủ động (driven element)
thường là chấn tử nửa sóng, một chấn tử phản xạ (reflector) và một số chấn tử
dẫn xạ thụ động (directors) được gắn trực tiếp với thanh đỡ kim loại. Nếu chấn
tử chủ động là trấn tử vòng dẹt thì nó cũng có thể gắn trực tiếp với thanh đỡ và
kết cấu anten sẽ trở nên đơn giản. Việc gắn trực tiếp các chấn tử lên thanh kim
loại thực tế sẽ không ảnh hưởng gì đến phân bố dòng điện trên anten vì điểm
giữa các chấn tử cũng phù hợp với nút của điện áp. Việc sử dụng thanh đỡ bằng
kim loại cũng không ảnh hưởng gì đến bức xạ của anten vì nó được đặt vuông
góc với các chấn tử.
Để tìm hiểu nguyên lý làm việc của anten ta hãy xét một 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 tử dẫn xạ (D). Chấn tử chủ động (A) được nối với
máy phát cao tần . Dưới tác dụng của trường bức xạ tạo bởi A, trong P và D sẽ

xuất hiện dòng cảm ứng và các chấn tử này sẽ trở thành nguồn bức xạ thứ cấp.
Như đã biết, nếu chọn được độ dài của P và khoảng cách từ A đến P một cách
thích hợp thì P sẽ trở thành trấn tử phản xạ của A. Khi ấy năng lượng bức xạ của
cặp A – P sẽ giảm yếu về phía chấn tử phản xạ và được tăng cường theo hướng
ngược lại (hướng +z). Tương tự như vậy, nếu chọn được độ dài của D và khoảng
cách từ D đến A một cách thích hợp thì D sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ của A. Khi
ấy, năng lượng bức xạ của hệ A – D sẽ được tập trung về phía chấn tử dẫn xạ và
giảm theo hướng ngược lại (hướng –z). kết quả là năng lượng bức xạ của cả hệ
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
10
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
sẽ được tập trung về một phía, hình thành một kinh dẫn sóng dọc theo trục anten,
hướng từ phía chấn tử phản xạ về phía chấn tử dẫn xạ.
Theo lý thuyết chấn tử ghép, dòng điện trong chấn tử chủ động (I
1
) và
dòng điện trong chấn tử thụ động (I
2
) có quan hệ với nhau bởi biểu thức:

2
1
i
I
ae
I
ϕ
=

(2.1)
Với
2 2 2 2
12 12 22 22
( )( )a R X R X
= + +

12 22
12 22
ar ( ) ar ( )
X X
ctg ctg
R R
ϕ π
= + −
Bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử thụ động, có thể biến đổi độ lớn và
dấu của điện kháng riêng X
22
và do đó sẽ biến đổi được
a
và
ϕ
. Hình 2.2
biểu thị quan hệ của và với X
22
đối với trường hơp chấn tử có độ dài xấp xỉ
nửa bước sóng và ứng với khoảng cách d =
4
λ

.
Hình 2.2 : Sự phụ thuộc giữa và với X
22
Càng tăng khoảng cách d thì biên độ dòng trong chấn tử thụ động càng
giảm. Tính toán cho thấy với d
≈
(0,1
÷
0,25)
λ
thì khi điện kháng của chấn tử
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
11
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
thụ động mang tính cảm kháng sẽ nhận được I
2
sớm pha hơn so với I
1
. Trong
trường hợp này chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử phản xạ. Ngược lại khi
điện kháng của chấn tử thụ động mang tính dung kháng thì dòng I
2
sẽ chậm pha
so với I
1
và chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ.
Hình 2.3 : Phương hướng của cặp chấn tử chủ động và thụ động
Hình 2.3 vẽ đồ thị phương hướng của cặp chấn tử chủ động và thụ động

khi d = 0,1
λ
ứng với các trường hợp khác nhau của
22
22
ar
X
ctg
R
. Từ hình vẽ ta
thấy : Khi
22
22
ar 0
X
ctg
R
>

Thì chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ.
Còn khi
22
22
ar 0
X
ctg
R
<
Thì chấn tử thụ động trở thành chấn tử dẫn xạ.
Trong thực tế việc thay đổi điện kháng X

22
của chấn tử thụ động được thực
hiện bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử : khi độ dài chấn tử lớn hơn độ dài
cộng hưởng sẽ có X
22
>0, còn khi độ dài chấn tử nhỏ hơn độ dài cộng hưởng sẽ
có X
22
<0. Vì vậy chấn tử phản xạ thường có độ dài lớn hơn
2
λ
còn chấn tử dẫn
xạ thường có độ dài nhỏ hơn
2
λ
. 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 lại bị chấn
tử này làm yếu đáng kể, nếu có thêm một chấn tử nữa đặt tiếp xúc sau đó thì
chấn tử phản xạ thứ hai sẽ được kích thích rất yếu và do đó nó cũng không phát
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
12
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
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, hoặc một tập hợp
vài chấn tử đặt ở khoảng cách giống nhau so với trấn tử chủ động, khoảng cách
giữa chấn tử chủ động và chấn tử phản xạ thường được chọn trong giới hạn (0,15
0,25)
λ

.
Trong khi đó, số lượng chấn tử dẫn xạ có thể khá nhiều. Vì sự bức xạ của
anten dược 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. Số chấn tử dẫn xạ có thể từ 2 10, đôi khi có thể lớn hơn (tới
vài chục). Khoảng cách giữa chấn tử chủ động và chấn tử dẫn xạ đầu tiên, cũng
như giữa các chấn tử dẫn xạ được chọn trong khoảng (0,1 0,35)
λ
.
Để có hệ số
định hướng cực đại theo hướng bức xạ chính, kích thước của các chấn tử chấn xạ
và khoảng cách giữa chúng cần được lựa chọn thích đáng sao cho đạt 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 tương đối đồng đều về biên độ,với giá trị gần bằng biên
độ dòng điện của chấn tử chủ động, và chậm dần về pha khi di chuyển dọc theo
trục anten, từ chấn tử chủ động về phía các chấn tử dẫn xạ. Khi đạt được quan hệ
nói trên, trường bức xạ tổng của các chấn tử sẽ được tăng cường theo một hướng
(hướng của các chấn tử dẫn xạ) và giảm nhỏ theo các hướng khác. Thường điều
kiện để đạt được cực đại của hệ số định hướng về phía các chấn tử dẫn xạ cũng
phù hợp với điều kiện để đạt được bức xạ cực tiểu về phía các chấn tử phản xạ.
Do vậy, khi anten dẫn xạ được 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 các kích 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, đạt được khoảng vài phần trăm. Khi số lượng chấn tử dẫn xạ khá lớn,
việc điều chỉnh thực nghiệm đối với anten sẽ rất phức tạp vì khi thay đổi độ dài
hoặc vị trí của mỗi chấn tử sẽ dẫn đến sự thay đổi biên độ và pha của dòng điện
trong tất cả các chấn tử.
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến

13
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
2.3 Hệ số sóng chậm
Việc xác định sơ bộ các kích thước và thông số của anten có thể được tiến
hành theo phương phương pháp lý thuyết anten sóng chậm (anten sóng chậm có
vận tốc pha nhỏ hơn vận tốc ánh sáng). Giả thiết các chấn tử dẫn xạ có độ dài
bằng nhau và gần bằng một nửa bước sóng, chúng được đặt cách điện đều
nhau dọc theo trục z và tạo thành một cấu trúc sóng chậm (sóng mặt), với hệ số
sóng chậm
1
c
v
ξ
= >
.
Giả thiết dòng trong các chấn tử có biên độ bằng nhau nhưng lệch pha
nhau ∆
ψ
. Nếu d là khoảng cách giữ hai chấn tử thì hệ số pha của sóng chậm sẽ
được xác định bởi:
d
ψ
γ
∆
=
. Ta có hệ số sóng chậm bằng :
c
v k kd
γ ψ

ξ
∆
= = =
Hệ số sóng chậm
ξ
phụ thuộc vào độ dài
l
của các chấn tử và khoảng
cách
d
giữa chúng. Bảng 2.1 dẫn ra các giá trị của hệ số sóng chậm
ξ
ứng với
các độ dài khác nhau của chấn tử, tính theo ba thông số
d
l
khi bán kính của chấn
tử
0,01
a
l
=
.
Bảng 2.1 Hệ số sóng chậm
ξ
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
14
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN

Qua phân tích cũng đã xác nhận rằng nếu kết cấu có độ dài hữu hạn thì sẽ
xuất hiện sóng phản xạ ở đầu cuối, với hệ số phản xạ theo công suất không quá
15%. Do sự phản xạ không đáng kể nên có thể coi gần đúng kết cấu hữu hạn
gồm các chấn tử dẫn xạ có độ dài bằng nhau và đặt cách đều nhau tương đương
với một hệ thống thẳng liên tục, bức xạ trục. Hệ số 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 được hệ số chậm tốt
nhất (ứng với bước sóng công tác trung bình
0
λ
) theo công thức:
0
1
2
opt
L
λ
ξ
= +
(2.2)
Sau đó, áp dụng công thức của lý thuyết anten sóng chậm có thể tính được sự
phụ thuộc của hệ số định hướng với tần số và xác định được dải thông tần
0
f
f
∆

mà trong đó hệ số định hướng biến đổi không quá 3 dB.
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
15
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
Ta hãy khảo sát một ví dụ: Giả sử cần thực hiện một anten dẫn xạ để làm
việc trong dải tần 200 ÷ 10MHz, độ dài anten cho trước là 3m, sao cho sẽ nhận
được hệ số định hướng là cực đại khi số phần tử của anten là ít nhất.
Trường hợp này, độ dài của anten là
0
/L
λ
= 2 và dải thông tần yêu cầu
bằng 10%. Ta cần chọn thông số
/ 0,5d l
=
để nhận được hệ số định hướng gần
bằng 12dB. Đồng thời, với độ dài anten đã cho sẽ tính được hệ số sóng chậm tốt
nhất
1,25
opt
ξ
=
. Từ bảng 2.1 sẽ xác định được độ dài chấn tử
1,3
2
kl
=
( ứng với

2
1
d
l
=
). Từ đó suy ra
0
0,22.
2
l
d
λ
= =
và số chấn tử của anten bằng 10 ( trong
đó có một chấn tử phản xạ, một chấn tử chủ động và 8 chấn tử dẫn xạ ).
2.4 Đặc trưng hướng
Hình 2.4 : Mô hình anten Yagi
Ta chọn mô hình anten Yagi (như hình 2.4 ) là một tập hợp các chấn tử
nửa sóng giống nhau, chấn tử chủ động A được đặt ở gốc tọa độ. Vị trí của các
chấn tử thụ động trên trục z được đặc trưng bởi các tọa độ z
n
, với n =
1, N

(
N là số chấn tử dẫn xạ) và bởi tọa độ z
p
đối với chấn tử phản xạ.
Việc điều chỉnh đối với mỗi chấn tử thụ động sẽ được thực hiện bởi các
điện kháng biến đổi được iX

p
, iX
1
, iX
2
, ,iX
n
ứng với vị trí cố định của các chấn
tử và với giá trị của các điện kháng điều chỉnh đã chọn, biên độ phức tạp của
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
16
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
dòng điện trong mỗi chấn tử sẽ được xác định khi giải hệ phương trình Kirchhoff
đối với hệ (N+2) chấn tử ghép.
1
AA 1 1
1 1 11 1 1
1
( )
0
( iX )
( iX )
0
. .
( iX )
0
pp p pA p pN
p

Ap A AN
A
p A N
Np NA Np NN N
N
R iX Z Z Z
I
Z R Z Z
I
U
Z Z R Z
I
Z Z Z R
I
+
 
 
 
 
 
 
+
 
 
 
 
+
 
 
× =

 
 
 
 
 
 
 
 
 
+
 
 
 
M M M M M
M
M
(2.3)

Trong đó R
pp
, R
AA
, R
11
, R
22
, …,R
NN
là phần thực của trở kháng
riêng của chấn tử phản xạ, chấn tử chủ động và các chấn tử dẫn xạ. Các trở

kháng tương hỗ Z
pA
=Z
Ap
, Z
p1
=Z
1p
, Z
A1
=Z
1A
, …,Z
nk
=Z
kn
có thể được xác định theo
công thức của lý thuyết anten ( phương pháp sức điện động cảm ứng) hoặc tính
theo các bảng cho sẵn. Các đại lượng X
p
, X
A
, X
1
, X
2
, …,X
N
là điện kháng toàn
phần của chấn tử phản xạ, chấn tử chủ động và các chấn tử dẫn xạ, trong đó bao

gồm điện kháng riêng của mỗi chấn tử và điện kháng điều chỉnh đối với mỗi
chấn tử nếu có. Đại lượng U trong công thức (2.3) là điện áp đặt ở đầu vào chấn
tử chủ động và có thể chọn tùy ý (ví dụ : U=1V).
Theo các trị số dòng điện tìm được khi giải hệ phương trình (2.3) sẽ tính
được hàm phương hướng tổ hợp:

os
os
1
( ) 1
p
n
N
ikZ c
p
ikZ c
n
k
n
A A
I
I
f e e
I I
θ
θ
θ
=
   
= + +

 ÷  ÷
   
∑
(2.4)
Trong đó, là góc giữa trục anten và hướng của điểm khảo sát.
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
17
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
Hình 2.5 Góc θ trong mặt phẳng H và mặt phẳng E
Đối với mặt phẳng H thì (2.4) cũng chính là hàm phương hướng của cả hệ
còn đối với mặt phẳng E thì hàm phương hướng của hệ sẽ bằng tích của hàm tổ
hợp (2.4) với hàm phương hướng riêng của chấn tử:

1
cos sin
2
( )
cos
f
π
θ
θ
θ
 
 ÷
 
=
(2.5)

2.5 Trở kháng vào của chấn tử chủ động
Khi có ảnh hưởng tương hỗ của các chấn tử thụ động thì trở kháng vào của
chân chấn tử chủ động được tính như sau:
Z
VA
=R
VA
+ iX
VA
(2.6)
Trị số X
A
sẽ được chọn theo điều kiện để đảo bảo X
VA
=0, từ (2.6) sẽ xác
định được X
A
và do đó Z
VA
=R
VA
.
2.6 Hệ số định hướng
Hệ số tác dụng định hướng của anten ở hướng trục theo công thức:

2
0
1 11
0
( 0 )

( 0 )
VA
D R f
D
R
θ
θ
 
=
 
= =
(2.7)
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
18
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
trong đó :
D
1
= 1,64 là hệ số định hướng của chấn tử nửa sóng.
R
11
= 73,1
Ω
là điện trở riêng của chấn tử nửa sóng (nghĩa là của một phần
tử anten).
Cũng có thể tính theo công thức:
ax
.

m
L
D A
λ
=
, L - độ dài anten. ( 2.8 )
Hệ số A phụ thuộc vào tỷ số
L
λ
được biểu thị trên hình sau:

Hình 2.6 Sự phụ thuộc của hệ số A vào
L
λ
2.7 Dải thông của anten Yagi
Các anten Yagi phản ứng rất nhạy đối với sự biến đổi của tần số vì nó bao
gồm các yếu tố cộng hưởng. Do đó anten Yagi có dải thông hẹp người ta xác
định được rằng tác dụng của thanh phản xạ đối với trở vào của anten mạnh hơn
nhiều đối với tác dụng của thanh dẫn xạ, vì thế nên dùng thanh phản xạ có dải
thông rộng. Thông thường để mở rộng dải thông thường dùng thanh phản xạ là
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
19
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
chấn tử vòng dẹt hoặc tốt hơn là trấn tử vòng dẹt kép, ngoài ra các thanh phản
xạ này được cấp nguồn.
CHƯƠNG III
MÔ PHỎNG, THIẾT KẾ ANTEN YAGI HOẠT
ĐỘNG Ở TẦN SỐ 2,4 GHZ

Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
20
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
Ứng dụng lý thuyết đã trình bày ở chương I và chương II để thiết kế một
anten Yagi đạt được độ lợi cao và có thể mở rộng vùng phủ sóng dựa trên tần số
2,4Ghz. Phần mô phỏng tôi sử dụng phần mềm HFSS.
3.1 Phần mềm mô phỏng HFSS
HFSS là viết tắt của Hight Frequency Structure Simulator. HFSS là phần
mềm mô phỏng trường điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô
hình hóa bất kỳ thiết bị thụ động 3D nào. Ưu điểm nổi bật của nó là có giao diện
người dùng đồ họa. Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động
hóa (tự động tìm lời giải) trong một môi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải
cho các bài toán điện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác.
Hình 3.1 Dao diện chính của chương trình HFSS
3.2 Thiết kế mô hình và các thông số của anten Yagi
Thiết kế một Yagi antenna, nhỏ gọn, hoạt động ở dải tần trung bình là
2,30 – 2,48. tần số wifi kết nối wireless LAN giữ các máy tính được ứng dụng
rộng rãi theo chuẩn 802.11.
Từ dải tần trung bình ta tính được tần số trung tâm và bước sóng là:
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
21
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
2,4f Ghz
=

8

9
3.10
0,125( )
2,4.10
c
m
f
λ
= = =

(3.1)
Ta chọn mô hình anten cần thiết kế với các thông số được chọn như sau:
• N=6 là số chấn tử dẫn xạ, (N= 1,2,…,6 được ký hiệu như hình 3.1) mỗi
chấn tử có chiều dài là 2l
dẫn xạ
.
• Một chấn tử phát xạ (chấn tử chủ động) ký hiệu 0, chiều dài 2l
phát xạ
.
• Một chấn tử phản xạ ký hiệu -1, chiều dài 2l
phản xạ
.
Chấn tử chủ động dùng làm anten là chấn tử nửa sóng. Đối với loại anten này
dòng trong chấn tử thụ động được cảm ứng do trường tạo bởi chấn tử chủ động.
Thường thì độ dài thanh phản xạ được chọn trong giới hạn (0,51 ÷ 0,53)
λ
. Còn
khoảng cách giữa thanh phản xạ và thanh phát xạ được chọn trong giới hạn
(0,15÷0,25)λ. độ dài thanh dẫn xạ chọn ngắn hơn độ dài của chấn tử chủ động và
bằng (0,32÷0,38)λ. Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với thanh dẫn xạ đầu

tiên cũng như giữa các thanh dẫn xạ với nhau được chọn trong giới hạn
(0,1÷0,35)λ.
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
22
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
Với yêu cầu trên, ta chọn độ dài và khoảng cách của các chấn tử như sau:
Chiều dài của chấn tử phát xạ:
2l
phát
xạ
=
2
λ
= 0,0625 (m) (3.2)
Chiều dài của chấn tử phản xạ:
2l
phản xạ
= 0,53
λ
= 0,06625 (m) (3.3)
Khoảng cách giữa chấn tử phát xạ và chấn tử phản xạ:
d
px
= 0,25
λ
= 0,03125 (m) (3.4)
Chiều dài của các chấn tử dẫn xạ là như nhau và bằng:
2l

dẫn xạ
= 0,33
λ
= 0,04125 (m) (3.5)
Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với chấn tử dẫn xạ đầu tiên cũng như
giữa các chấn tử dẫn xạ với nhau:
d
dx
= 0,25
λ
= 0,03125
Như vậy anten có chiều dài là:
L = d
px
+ d
dx
N = 0,03125 + 0.03125 × 6 = 0,21875 (m) (3.6)
• 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 định bằng công
thức:
1( , ) 2( , ) 3( , )
( , ) . .f f f f
θ ϕ θ ϕ θ ϕ
θ ϕ
=

(3.7)
Trong đó:
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
23
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
1( , )
f
θ ϕ
là thừa số xác định đặc trương của một chấn tử.
 Trong mặt phẳng E (hình 2.5)
1( , )
os( sin )
2
os
c
f
c
θ ϕ
π
θ
θ
=
(3.8)
 Trong mặt phẳng H
1( , )
1f
θ ϕ
=

(3.9)
3( , )
f
θ ϕ
là thừa số ảnh hưởng của đất.(trong mặt phẳng H).
3( , )
2
sin( . .sin )f h
θ ϕ
π
θ
λ
=
(3.10)
(h là độ cao đặt anten)
2( , )
f
θ ϕ
là thừa số của hệ.
( os )
2( , )
1
0
j z
N
i kd c
j
j
I
f e

I
φ θ
θ ϕ
+
=
=
∑
(3.11)
j
I
là biên độ dòng trên chấn tử j;
I
0
là biên độ dòng trên chấn tử chủ động;
θ
j
là pha của dòng trên chấn tử thứ j;
d
z
là khoảng cách từ chấn tử j đến chấn tử 0.
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
24
Khóa luận tốt nghiệp
Trường KHTN - ĐHQGHN
Ta coi dòng trong các chấn tử là như nhau. Suy ra tỷ số
0
1
j
I

I
=
. Vì vai trò
chủ yếu quyết định dạng đặc trưng hướng là phân bố pha chứ không phải là phân
bố biên độ.
( 2)
z tb
d j d= −
Với d
tb
là khoảng cách trung bình giữa các chấn tử:
1
1
;
2 1 2 1
N
j
tb
dj
L
d
N N
−
=
= =
+ − + −
∑
(3.12)
L là chiều dài anten
θ

j
= - k.d
z
là pha của dòng trên các chấn tử giảm theo quy luật tuyến tính;
θ là góc tạo bởi phương điểm quan sát với trục chấn tử.
suy ra
( 2) (1 os )
2( , )
1
tb
N
i j kd c
j
f e
θ
θ ϕ
− − −
=
=
∑
(3.13)
Biến đổi ta được:
2( , )
sin (1 os )
2
sin (1 os )
2
tb
tb
N

kd c
f
kd
c
θ ϕ
θ
θ
 
−
 
 
=
 
−
 
 
Vì hệ anten đang xét có N+2 chấn tử nên:
Sv: Biện Văn Hào
Bộ môn: Vật lý Vô tuyến
25