Anten yagi

Phân I Giới thiệu chung Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, vì đã là hệ thống vô tuyến có nghĩa là hệ thống đó có sử dụng sóng điện từ, thì không thể không dùng đến thiết bị bức xạ hoặc thu sóng điện từ. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và khoa học, ngày càng nhiều loại anten mới được ra đời có kích thước ngày càng nhỏ nhưng hiểu quả lại rất cao. Một trong những loại anten đơn giản và được sử dụng rất rộng rãi đó là anten yagi. Phân II Anten Yagi I. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của anten yagi Sơ đồ của anten được vẽ ở hình 1. Nó gồm một chấn tử chủ động thường là chấn tử nửa sóng, một chấn tử phản xạ thụ động, và một số chấn tử dẫn xạ thụ động. Thường thì các chấn tử phản xạ và dẫn xạ thụ động được gắn trực tiếp với thanh đỡ kim loại. Nếu chấn tử chủ động là chấn 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 của 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 Hình 1 Để tìm hiểu nguyên lý làm việc của anten ta hãy xét một anten dẫn xạ gồm ba phần tử: Chấn tử chủ động A, chấn tử phản xạ P và chấn tử dẫn xạ D. Chấn tử chủ động 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 bức xạ thứ cấp. Như đã biết, nếu chọn được chiều dài của P và khoảng cách từ A đến P một cách thích hợp thì P sẽ trở thành chấn 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 yếu theo hướng ngược ( hướng –z). Kết quả là năng lượng bức xạ của cả hệ sẽ được tập trung về một phía, hình thành một kênh dẫn sóng dọc theo trục của anten, hướng từ chấn tử phản xạ về phía chấn tử dẫn xạ. Theo lý thuyết chấn tử ghép, dòng điện trong chấn tử động (I 1 ) và dòng điện trong chấn tử thụ động (I 2 ) có quan hệ với nhau qua biểu thức: 2 1 j I ae I ψ = Với 2 2 2 2 12 12 22 22 ( )( )a R X R X= + + 12 22 12 22 X X arctg arctg R R ψ 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 ψ . Hình 2 Hình 2 biểu thị quan hệ của a và ψ . với X 22 đối với trường hợp chấn tử có độ dài xấp xỉ nửa bước sóng và ứng với khoảng cách d = λ/ 4 . Càng tăng khoảng cách d thì biên độ dòng trong chấn tử thụ động càng giảm. Tính toán cho thấy rằng, với d xấp xĩ bằng (0,1÷ 0,25) λ thì khi điện kháng của chấn tử thụ động mang tính cảm kháng sẽ nhận được I 2 sớm pha so với.I 1 . Trong trường hợp này chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử phản xạ. Ngược lại, khi điện khángcủa chấn tử thụ động mang tính dung kháng thì dòng I 2 sẽ chậm pha so với dòng và chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ. Hình 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 arctg (X 22 /R 22 ) Từ hình vẽ ta thấy khi arctg (X 22 /R 22 )> 0, chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ, còn khi (X 22 /R 22 )< 0, 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 điều chỉnh 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 λ/2, còn chấn tử dẫn xạ thường có độ dài nhỏ hơn λ/2. Hình 3 Đồ thị phương hướng của cặp chấn tử chủ động và thụ động ứng với d=0,1λ 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 không 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, hoặc một tập hợp vài chấn tử đặt ở khoảng cách giống nhau so với chấn 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 lại có thể khá nhiều. Vì 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. Sóng truyền lan trong hệ thống thuộc loại sóng chậm, nên về nguyên lý, anten dẫn xạ có thể được xếp vào loại anten sóng chậm. 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. Trong thực tế, thường dùng chấn tử chủ động là chấn tử vòng dẹt vì hai lý do chính sau đây: Có thể gắn trực tiếp chấn tử lên thanh đỡ kim loại, không cần dùng phần tử cách điện; Chấn tử vòng dẹt có trở kháng vào lớn, thuận tiện trong việc phối hợp trở kháng. Để có được hệ số định hướng theo hướng bức xạ chính, kích thước của các chấn tử dẫn 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 đối với các dòng điện này là tương đối đồng đều về biên độ, với giá trị gần bằng biên độ dòng 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 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 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 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. II. Phương pháp tính các đặc trưng tham số của anten Để tính toán chính xác anten dẫn xạ ta có thể sử dụng lý thuyết của chấn tử ghép. Sau đây sẽ giới thiệu nội dung và các bước tính toán đối với bài toán tổng quát của loại anten này. Ta chọn sơ đồ anten Yagi là một tập hợp các chấn tử nửa sóng giống nhau (hinh 4) Hình 4 Chấn tử chủ động A được đặt ở gốc toạ độ. Vị trí của các chấn tử thụ động trên trục z được đặc trưng bởi các toạ độ zn , với n = 1, 2, ….N ( N là số chấn tử dẫn xạ) và bởi toạ độ Zp 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 1 2 , , , , p n iX iX iX iX . Các bước tính toán đối với mô hình anten ở trên như sau: Bước 1: Ứng với vị trí cố định của các chấn tử và với các giá trị của các điện kháng điều chỉnh đã chọn, biên độ phức của 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 11 1 1 1 0 ( ) ( ) 0 ( 0 pp p pA p pN p Ap A A AN A p A N Np NA Np NN N N R jX Z Z Z I Z R jX Z Z I U Z Z R jX Z I Z Z Z R j X I +        ÷  ÷  ÷ +  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷ + × =  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷  ÷ +       Trong đó R pp , R AA , R 11 , R 22 ,…, R NN là các 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 xác định theo công thức của lý thuyết anten (phương pháp sức điện động cảm ứng ), hoặc tính theo các bảng đã cho s~n. Các đại lượng X p , X A , X 1 , X 2 ,…, X N là các 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 (sau này, khi đã tính toán xong thì việc thể hiện thực tế các điện kháng nay sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng các chấn tử các chấn tử ngắn mạch ở giữa và lựa chọn độ dài thích hợp cho chúng). Đại lượng U trong công thức trên là điện áp đặt ở đầu vào chấn tử chủ động và có thể được chọn tùy ý Bước 2: Theo các trị số dòng điện tìm được khi giải hệ phương trình trên sẽ tính được hàm phương hướng tổ hợp. f k (θ) = os os 1 1 p n A N jkz c p jkz c n n A I I e e I I θ θ =   + +  ÷   ∑ trong đó, θ là góc giữa trục anten và hướng của điểm khảo sát Hình 5 Đối với mặt ph•ng H thì công thức trên cũng chính là hàm phương hướng của cả hệ, còn đối với mặt ph•ng E thì hàm phương hướng của hệ sẽ là tích của hàm số tổ hợp trên với hàm phương hướng riêng của chấn tử. f 1 (θ) =cos[(π/2)sinθ]/cosθ Bước 3: Tìm trở kháng vào của chấn tử chủ động khi có ảnh hưởng tương hỗ của các chấn tử thụ động. 1 AA 1 1 p N VA VA VA pA A A N A A A I I I Z R jX Z R jX Z Z I I I = + = + + + + + Trị số X A sẽ được chọn theo điều kiện để đảm bảo X VA = 0. Như vậy, từ công thức trên sẽ xác định được X A và do đó Z VA = R VA . Bước 4: Tính hệ số định hướng của anten ở hướng trục theo công thức: 2 1 11 ( 0 ) ( 0 ) o k o VA D R f D R θ θ   =   = = Trong đó D 1 = 1,64 là hệ số định hướng của chấn tử nửa sóng, R 11 = 73,1Ω là điện trở riêng của chấn tử nửa sóng ( của một phần tử anten) Cũng có thể tính theo công thức: D max = A. (L / λ) L - độ dài anten. Hệ số A phụ thuộc vào tỷ số L/ λđược biểu thị trên hình sau: Hình 6 Các bước tính toán ở trên cho phép giải quyết bài toán thuận (bài toán phân tích) đối với anten dẫn xạ có các phần tử đặt ở các vị trí xác định và với điện kháng ở đầu vào đã biết. II. Anten Yagi thu truyền hình kênh 10 Ta có dãi tần của kênh truyền là 192÷198 Mhz. Từ đó ta tính được tần số trung tâm và bước song là: f=195 Mhz λ=c/f=1,53 (m) Ta chọn mô hình Anten cần thiết kế với các thông số được chọn như sau: Hình 7 N=6 là số chấn tử dẫn xạ, ( N= 1,2,…,6 được ký hiệu như trên hình 7)mỗi chấn tử có chiều dài 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. Còn pha của dòng trong các chấn tử thụ động có thể điều chỉnh được để đảm bảo nhận được sự bức xạ đơn hướng. Với mục đích như trên (dòng trong thanh phản xạ nhanh pha hơn so với dòng trong thanh phát ạ) thì độ dài của thanh phản xạ cần chọn lớn hơn độ dài của thanh phát xạ (chấn ử 0). 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. Pha yêu cầu trong thanh dẫn xạ (chậm pha so với dòng trong chấn tử chủ động )cũng được đảm bảo bằng cách chọn độ dài của nó, thông thường độ dài thanh dẫn xa 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. Với yêu cầu như trên, ta chọn độ dài và khoảng cách của các chấn tử như sau: chiều dài của chấn tử phát xạ: 2l phát xạ = λ./2=0,765(m) Chiều dài của chấn tử phản xạ 2l phản xa =0,53λ=0,8109 (m) Khoảng cách giữa chấn tử phát xạ và chấn tử phản xạ d px = 0,25λ =0,3825(m) Chiều dài của các chấn tử dẫn xạ là như nhau và bằng 2l dẫn xạ = 0,33λ=0,5049 (m) 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 = 0,25λ=0,3825 (m) Như vậy Anten có chiều dài là L = d px + d dx N =0,3825+ 0,3825 x 6= 2,6775 (m) III. Sử dụng matlab để tính toán f=input('nhap tan so kenh từ 192÷198 [Mhz] ‘) c=3*10^8;%van toc anh sang lamda=c/f/10^6; % lamda tinh theo 'met' disp('chieu dai buoc song [m]') disp(lamda) disp('chieu dai chan tu so voi buoc song') disp('chan tu phan xa [m]') %chan tu phan xa 'met' L1=lamda*0.52; disp(L1) disp('chan tu chu dong [m]') %chan tu chu dong 'met' L2=lamda*0.5; disp(L2) disp('chan tu dan xa [m]') %chan tu dan xa 'met' L3=lamda*0.3; disp(L3) L=[L1 L2 L3 L3 L3]; disp('duong kinh cac chan tu la [mm] :') disp(0.6*lamda) %duong kinh tinh theo milimet disp(0.6*lamda) %duong kinh tinh theo milimet a=0.006*lamda*[1 1 1 1 1]; d=lamda*[-0.25 0 0.35 0.7 1.05]; I=yagi(L,a,d) k=2*pi/lamda; th=linspace(0,2*pi,20000); th=th*180/pi; t=0; for n=3:5 t=t+I(n)/I(2)*exp(i*k*d(n)*cos(th)); end fh=abs(I(1)/I(2)*exp(i*k*d(1)*cos(th))+1+t);%Ham phuong huong cua anten trong mat phang H f1=abs(cos(pi/2*sin(th))./cos(th)); %Ham phuong huong rieng cua chan tu F=fh.*f1; %Ham phuong huong cua anten trong mat phang E [...]... truyền hình tốt thì ta sẽ phải điều chỉnh anten thu hướng một cách chính xác về hướng anten phát của đài cần thu 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... phẳng H Phần III 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 anten càng tăng, đồng thời số bức xạ phụ tăng lên Làm cho tín hiệu thu... 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 . loại anten mới được ra đời có kích thước ngày càng nhỏ nhưng hiểu quả lại rất cao. Một trong những loại anten đơn giản và được sử dụng rất rộng rãi đó là anten yagi. Phân II Anten Yagi I 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 chính biến đổi dưới 3 dB đạt được khoảng vài. cũng không ảnh hưởng gì đến bức xạ của anten vì nó được đặt vuông góc với các chấn tử Hình 1 Để tìm hiểu nguyên lý làm việc của anten ta hãy xét một anten dẫn xạ gồm ba phần tử: Chấn tử chủ