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

Xây dựng phần mềm khám chữa bệnh từ xa 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 hướ[.]

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 MSSV Nguyễn Hoàng Long 20200365 Nguyễn Quốc Trung 20200646 Vũ Thế Duy 20200117 Vũ Hải Đăng 20200150 Hà Nội, tháng năm 2023 LỜI MỞ ĐẦU Ăng-ten Yagi-Uda ăng ten endfire phổ biến thiết kế để đạt mức khuếch đại trung bình với mức phân cực chéo tương đối thấp Bài báo cáo hồn thành nhằm mục đích tìm hiểu, củng cố trang bị cho thân kiến thức Anten sử dụng phần mềm Báo cáo nêu nên tiêu kĩ thuật anten yagi-uda đồng thời thiết kế, mô so sánh với báo Để anten hoạt động tốt tính tốn hay mơ có số kết khơng mong đợi nên cần tối ưu thu số giá trị Qua vận dụng kiến thức thu thập để vận dụng làm tập, ứng dụng vào mơn học, hồn thành tập lớn Xin chân thành cảm ơn thầy cô giúp đỡ, cung cấp tài liệu để em hồn thành báo cáo MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG : GIỚI THIỆU VỀ ANTEN YAGI UDA .5 1.1 Lịch sử anten Yagi Uda 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.3 Đặc tính anten Yagi Uda 10 1.4 Ứng dụng 10 CHƯƠNG : TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN YAGI UDA Ở DẢI TẦN 600 MHZ 12 2.1 Tính tốn thơng số 12 2.2 Mô tối ưu 14 Tài liệu tham khảo 16 KẾT LUẬN 17 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Cấu tạo anten Yagi-Uda Hình Anten Yagi với Boom gỗ .8 Hình Đồ thị xạ anten Yagi .10 Hình Sơ đồ anten Yagi-Uda 12 Hình Hình ảnh sau thiết kế 14 Hình Đồ thị dB(S(1;1)) sau tối ưu 14 Hình Đồ thị Gain(dB) 15 Hình Đồ thị Smith anten sau tối ưu .15 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nhu cầu thông tin vô tuyến phát triển mạnh mẽ hầu hết 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 phát tín hiệu Vì Anten phận thiếu thiết bị thu phát, truyền tin Nhất với công nghệ kết nối không dây phát triển mạnh anten có thay đổi linh hoạt phẩm chất, cấu trúc, kích thước…nhằm thoả mãn tối đa nhu cầu người sử dụng Gần đây, đặc biệt sau năm 2000, nhiều loại anten thiết kế thỏa mãn yêu cầu băng thông hệ thống truyền thông Trong khuôn khổ đề tài này, với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, nhóm em sâu vào tìm hiểu anten Yagi, thiết kê mô an ten Yagi hoạt động tần số 600MHz, với thông số kỹ thuật phù hợp phần mềm mô HFSS Nội dung báo cáo gồm chương: Chương 1: Giới thiệu anten Yagi Uda Chương 2: Tính tốn thơng số cần thiết,mơ anten Yagi Kết luận CHƯƠNG : GIỚI THIỆU VỀ ANTEN YAGI UDA 1.1 Lịch sử anten Yagi Uda Anten Yagi-Uda loại anten định hướng phổ biến, sử dụng rộng rãi vơ tuyến truyền hình, tuyến thông tin chuyển tiếp đài rada sóng mét Anten phổ biến có tính định hướng tương đối tốt mà kích thước trọng lượng không lớn, cấu trúc lại đơn giản, dễ chế tạo Các anten định hướng Yagi-Uda thường sử dụng khu vực khó phủ sóng hay nơi cần vùng bao phủ lớn vùng bao phủ anten đẳng hướng Anten Yagi-Uda phát minh năm 1926 Shintaro Uda Đại học Hoàng gia Tohoku, Sendai, Nhật Bản, hướng dẫn Hidetsugu Yagi Yagi có chứng minh cho ý tưởng anten định hướng việc thiết kế tương đối phức tạp Yagi xuất tài liệu tham khảo tiếng Anh loại anten báo khảo sát nghiên cứu sóng ngắn năm 1928 Nhật Bản trích dẫn tên ơng Tuy nhiên, Yagi ln cơng nhận đóng góp Uda thiết kế, khơng xem xét tính sáng tạo, tên cho anten Yagi-Uda (hoặc mảng) AntenYagi uda sử dụng Thế chiến II cho radar khơng, đơn giản tính định hướng Mặc dù thiết kế Nhật Bản tới chiến tranh gần kết thúc, nhiều kĩ sư radar quan quân đội Nhật Bản lần biết đến công nghệ Sau trận Singapore, họ bắt giữ ghi chép kỹ thuật viên radar Anh kể "antenna yagi" cảnh sát tình báo Nhật Bản chí cịn khơng nhận Yagi tên Nhật bối cảnh Khi bị hỏi, kỹ thuật viên nói anten đặt tên theo giáo sư Nhật Bản 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Thành phần Anten Yagi-Uda bao gồm Dipole (hay gọi chấn tử chủ động) hoạt động tần số cộng hưởng với nhiều chấn tử hỗ trợ Các chấn tử hỗ trợ bao gồm chấn tử phản xạ (Reflector) chấn tử dẫn xạ (Director) Hình mơ tả sơ đồ cấu tạo thành phần anten Yagi [3] Hình Cấu tạo anten Yagi-Uda Từ hình thấy rằng, anten Yagi bao gồm thành phần chính:  Boom: phần tử nằm ngang dọc theo anten sử dụng nhằm liên kết thành phần anten lại với  Driven Element (Dipole / chấn tử chủ động): phần tử anten có tác dụng phát thu nhận sóng vơ tuyến  Reflector (chấn tử phản xạ): thành phần có chiều dài lớn anten, nằm phía sau chấn tử chủ động (ngược hướng với chấn tử dẫn xạ) có tác dụng giúp cho anten có tính định hướng tốt  Director (chấn tử dẫn xạ): tương tự chấn tử phản xạ, chấn tử dẫn xạ sử dụng nhằm mục đích tăng tính định hướng anten Phân tích tác dụng phần tử cấu trúc anten Yagi-Uda: Thiết kế anten Yagi có phần tử xạ (chấn tử chủ động) Dipole hoạt động nguồn điện cấp trực tiếp Các phần tử hỗ trợ định hướng bao gồm chấn tử phản xạ chấn tử dẫn xạ (hay cịn gọi phần tử “kí sinh”) liên kết với chấn tử chủ động thông qua Boom không nối trực tiếp với chấn tử chủ động mà sử dụng nguyên lý xạ điện từ Maxwell lấy lượng xạ phát từ chấn tử chủ động xạ lại Cơ chế hoạt động anten Yagi dựa sai khác pha sóng phát từ Dipole so với sóng xạ từ chấn tử hỗ trợ [4] Sự sai khác pha tác động lên toàn hệ thống anten Yagi, khiến cho lượng tập trung vào hướng cụ thể Tín hiệu tăng cường sóng xạ chấn tử hỗ trợ đồng pha với nhau, hướng lệch pha tín hiệu bị giảm dần triệt tiêu Biên độ pha chấn tử hỗ trợ phụ thuộc vào yếu tố bao gồm trạng thái chấn tử chủ động, chiều dài chấn tử hỗ trợ khoảng cách chúng Nếu chấn tử hỗ trợ dài chiều dài chấn tử chủ động trở thành thành phần điện cảm, ngược lại – điện dung Dựa vào kiến thức thực tế này, thành phần xạ anten Yagi chia làm loại: chấn tử chủ động, xạ, phản xạ Các phần tử liên kết với liên kết (Boom) Boom: Trên lý thuyết, anten Yagi hoạt động tốt mà không cần sử dụng liên kết chấn tử Thực tế, điều xảy liên kết làm vật liệu cách điện (gỗ, sợi thuỷ tinh,…) kèm với số điều kiện khác Thanh liên kết sử dụng thực tế dẫn điện cách điện tuỳ ý, chất liệu Boom ảnh hưởng tới chiều dài chấn tử khác trình thiết kế để đảm bảo đặc tính xạ anten Vì vậy, khơng phải thành phần xạ thiết kế anten Yagi Boom ảnh hưởng nhiều tới đồ thị xạ anten Các kết nghiên cứu chuyên sâu ảnh hưởng Boom tới đồ thị xạ mô tả [1] Hình Anten Yagi với Boom gỗ Driven Element (Dipole / chấn tử chủ động): phần tử bị điều khiển trực tiếp điện áp dòng điện xoay chiều, đồng nghĩa thành phần có tác dụng thu phát sóng vơ tuyến anten Thơng thường, Dipole nửa bước sóng Folded Dipole sử dùng làm chấn tử chủ động Director (chấn tử dẫn xạ): thành phần định hướng anten Yagi với chiều dài ngắn so với chấn tử chủ động Các chấn tử dẫn xạ thay đổi đồ thị xạ sóng vơ tuyến đập vào cách xạ lại với pha khác [5] Sự lệch pha sóng tới sau tái xạ chỉnh cho sóng xạ tạo nhiều giao thoa có ích có thể, từ khiến cho tín hiệu tổng thể trở lên mạnh Sự xạ anten định hướng phía chấn tử dẫn xạ nên chấn tử kích thích với cường độ mạnh số chấn tử dẫn xạ đủ lớn hình thành kênh dẫn sóng Điều giải thích lí thêm nhiều chấn tử dẫn xạ tăng Gain cho anten, đồng thời khiến cho độ rộng chùm tia trở lên hẹp (có tính định hướng hơn) Thơng thường với chấn tử dẫn xạ thêm vào tăng Gain thêm khoảng dB theo chiều truyền sóng chính, nhiều chấn tử thêm vào Gain tăng chậm Reflector (chấn tử phản xạ): đặt sau chấn tử chủ động, thường thiết kế dài 5% so với chấn tử chủ động, giúp tăng tính định hướng anten cách “chặn” sóng tới từ chấn tử khác Khơng giống chấn tử dẫn xạ, thông thường anten Yagi có chấn tử làm nhiệm vụ phản xạ Đó trường xạ phía ngược bị chấn tử làm yếu đáng kể, có thêm chấn tử đặt tiếp sau chấn tử phản xạ thứ hai kích thích yếu khơng phát huy tác dụng Để tăng cường hiệu phản xạ, số trường hợp sử dụng mặt phản xạ kim loại, lưới kim loại,… Thông thường chấn tử phản xạ tăng thêm khoảng 4-5 dB theo hướng truyền sóng Đồ thị xạ anten Yagi-Uda Anten Yagi có chức giống mảng End-fire, có đồ thị xạ dọc theo trục mảng (các chấn tử) theo phương chấn tử dẫn xạ Tương tự anten định hướng hay mảng end-fire khác, anten Yagi phát công suất lớn theo hướng định nhằm tăng hiệu suất truyền nhận tin, bên cạnh giảm triệt tiêu nhiễu từ nguồn không mong muốn [6] Hình Đồ thị xạ anten Yagi Hình biểu diễn đồ thị xạ anten Yagi-Uda Từ hình 3, ta thấy rằng, anten Yagi có tính định hướng cao định hướng theo hướng 1.3 Đặc tính anten Yagi Uda Ưu nhược điểm anten Yagi: Anten Yagi mang lại nhiều ưu điểm loại anten khác về:  Gain: anten Yagi Uda có hệ số tăng ích cao, cho phép đầu thu nhận tín hiệu có cường độ thấp  Cấu tạo đơn giản: anten Yagi Uda tương đối đơn giản so sánh với thiết kế anten khác  Có tính định hướng cao phối hợp chấn tử dẫn xạ (Directors), chấn tử phản xạ (Reflector) chấn tử chủ động (Driven element)  Anten Yagi dạng thiết kế anten RF thực tế, lựa chọn hiệu chi phí cho ứng dụng cần độ lợi định hướng cao  Trọng lượng nhẹ, hiệu suất tốt, dễ dàng thi công lắp đặt Bên cạnh anten Yagi Uda tồn vài nhược điểm như:  Dễ bị ảnh hưởng yếu tố môi trường  Băng thông bị giảm số lượng phần tử định hướng thêm vào nhiều 10 1.4 Ứng dụng Anten Yagi Uda sử dụng rộng rãi băng tần HF, VHF UHF Anten Yagi có hệ số tăng ích cao, dải tần hẹp, trải khoảng vài phần trăm xung quanh tần số trung tâm giảm tăng hệ số tăng ích, đó, thường sử dụng ứng dụng sử dụng tần số cố định Ứng dụng lớn biết đến nhiều anten truyền hình mặt đất thường cố định tầng thượng, ngồi sử dụng cho liên kết truyền thông cố định điểm-điểm, anten radar để liên lạc sóng ngắn qua đài phát sóng ngắn vơ tuyến 11 CHƯƠNG : TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN YAGI UDA Ở DẢI TẦN 600 MHZ 2.1 Tính tốn thơng số Thiết kế Yagi antenna, nhỏ gọn, hoạt động dải tần 600 MHz, hệ số 12ong hệ số tăng ích 12 dBi Từ dải tần trung bình ta tính tần số trung tâm bước 12ong là: 𝑓 = 600𝑀𝐻𝑧 λ= 𝑐 𝑓 3∗10 = 500mm = 600∗1 Hình Sơ đồ anten Yagi-Uda 12 Ta chọn mơ hình anten cần thiết kế với thông số chọn sau:  N=4 số chấn tử dẫn xạ, (N= 1,2,3,4) chấn tử có chiều dài 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 chọn nhỏ 0,5 λ, giới hạn (0,45 ÷ 0,49) λ Chiều dài chấn tử phản xạ thường lớn 5% so với chấn tử chủ động Khoảng cách chấn tử phản xạ chấn tử chủ động chọn giới hạn (0,15÷0,25)λ Độ dài chấn tử dẫn xạ thường ngắn độ dài chấn tử chủ động 5% nằm khoảng (0,4÷0,45)λ Khoảng cách chấn tử chủ động với chấn tử dẫn xạ chấn tử dẫn xạ với chọn giới hạn (0,35÷0,4)λ Bán kính chấn tử có độ dài 0.00425λ Với yêu cầu tham khảo [2], chọn độ dài khoảng cách chấn tử Chiều dài chấn tử phát xạ: Lbx=0,45λ=225mm Chiều dài chấn tử phản xạ: Lpx = 0,482λ=241mm Khoảng cách chấn tử phát xạ chấn tử phản xạ: SR= 0,2λ = 100mm Khoảng cách chấn tử 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 0.00425λ Chiều dài anten : L = SR+SD*N= 600mm 13 2.2 Mơ tối ưu Hình ảnh sau thiết kế với thơng số trên: Hình Hình ảnh sau thiết kế Do hạn chế với kinh nghiệm tối ưu anten thiết bị mô nên kết tối ưu chưa tốt Thực tối ưu thay đổi giá trị biến Lpx ta có đồ thị S(1;1) sau: Hình Đồ thị dB(S(1;1)) sau tối ưu 14 Ta thu đồ thị Gain: Hình Đồ thị Gain(dB) Đồ thị Gain (dB) đạt max 12.47 dB, thỏa mãn yêu cầu đề Hình Đồ thị Smith anten sau tối ưu 15 Tài liệu tham khảo [1] D Dobričić: Boom Distance Influence on Yagi Antenna, AntenneX Issue No 145 (2009) [2] https://www.antenna-theory.com/antennas/travelling/yagi3.php,Last accessed on February, 2023 [3] https://duo.com/labs/tech-notes/the-yagi-uda-antenna-an-illustratedprimer#section0, Last accessed on February, 2023 [4] https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/yagiuda-antenna-aerial/basics-overview.php, Last accessed on February, 2023 [5] https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/yagiuda-antenna-aerial/theory.php, Last accessed on February, 2023 [6] https://medium.com/@gtenthapa/introduction-to-yagi-uda-antenna83b4fdabbf75, Last accessed on February, 2023 16 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian dài tìm hiểu phân tích thiết kế, nhóm chúng em tính tốn mà mô thành công anten Yagi tần số 600MHz phần mềm HFSS Anten mô thỏa mãn thông số yêu cầu đề độ tăng ích lớn, tính định hướng cao Đối chiều với lý thuyết thu kết trùng khớp như: Fch= 600 MHz, Đồ thị xạ, độ tăng ích, đồ thị smith hướng xạ anten dọc theo trục anten hướng phía chấn tử dẫn xạ đồng thời toàn lượng xạ phía trục âm bị chấn tử phản xạ chặn gần hồn tồn Qua q trình nghiên cứu thiết kế, chúng em rút nhiều kinh nghiệm cho thân, đồng thời hiểu anten Yagi công đọan để thiết kế anten hoàn chỉnh Đồng thời qua việc thực đề tài, chúng em hiểu ứng dụng anten Yagi tương ứng với dải tần thực tế đặc biệt kĩ vận dụng lý thuyết học để xây dựng mơ hình, sản phẩm thực tế Em xin chân thành cảm ơn thầy cô hướng dẫn giúp đỡ chúng em tận tình thời gian chúng em tìm hiểu, phân tích hồn thiện đề tài Trên báo cáo chúng em, cịn nhiều thiếu sót nỗ lực thân Rất mong quan tâm góp ý thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn 17 ... https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/yagiuda-antenna-aerial/basics-overview.php, Last accessed on February, 2023 [5] https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/yagiuda-antenna-aerial/theory.php,... xạ anten Yagi- Uda Từ hình 3, ta thấy rằng, anten Yagi có tính định hướng cao định hướng theo hướng 1.3 Đặc tính anten Yagi Uda Ưu nhược điểm anten Yagi: Anten Yagi mang lại nhiều ưu điểm loại anten. .. ẢNH Hình Cấu tạo anten Yagi- Uda Hình Anten Yagi với Boom gỗ .8 Hình Đồ thị xạ anten Yagi .10 Hình Sơ đồ anten Yagi- Uda 12 Hình Hình ảnh sau thiết kế 14 Hình