bài tiểu luận môn truyền sóng và anten

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 thuy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÀNH ĐÔ

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÀI TIỂU LUẬN MÔN TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

Lớp: ĐHĐT1_K1

Nhóm 7:

Lời Mở Đầu

Thưa các bạn trong thời đại xã hội phát triển như hiện nay, chúng ta đang sống trong kỷ nguyên của công nghệ thông tin, máy tính và trong đó không thể không kể tới các hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt là các hệ thống thông tin di động đã và đang phát triển rất mạnh mẽ Việc hiểu biết và nắm rõ quá trình truyền sóng anten là những kiến thức rất quan trọng và không thể thiếu cho các bạn trẻ yêu thích công nghệ, bởi bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng anten để phát hoặc thu tín hiệu Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp rất nhiều các hệ thống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTS dùng cho các mạng điện thoại di dộng Hay những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại di động, radio … cũng đều sử dụng anten Chính vì vậy mà hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau đi tìm hiểu về một loại anten cũng khá phổ biến, có nhiều ứng dụng trong cuộc sống và nghiên cứu khoa học

%81+anten+Yagi&hl=vi&gl=vn&pid=bl&srcid=ADGEESgxXlPaJwca9YjSvdLsvPf_WX6PVzjhGItIM-

VDqImKWL3iK1WV3xEI7TbeK7VlvdkBeO4J9ADvZW u0bat1qRH57bI6kwdZeQTd3ZLZ5b7-

EbNp93vB4qGDVMosRw3U8BqMsc&sig=AHIEtbSF0ySOaA0Nn-wkeSrUaTAgsp6jRg

Do nguồn tài liệu còn khá hạn chế, trong quá trình tìm hiểu chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót vì vậy rất mong nhận được đóng góp từ các bạn và thầy cô!

CHỦ ĐỀ TÌM HIỂU VỀ ANTEN YAGI

ANTEN BĂNG RỘNG: ANTEN YAGI-UDA

Lịch sử

Anten Yagi-Uda được phát minh vào năm 1926 bởi Shintaro Uda của Đại học Tohoku Imperial, Sendai, Nhật Bản, với sự hợp tác

của Hidetsugu Yagi, cũng của Đại học Tohoku Imperial Hidetsugu Yagi đã

cố gắng truyền năng lượng không dây trong tháng 2 năm 1926 với ăng-ten này Các anten Yagi lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi trong Thế chiến II cho bộ radar trên không

1 Cấu trúc của anten Yagi

Anten Yagi-Uda dùng các phần tử anten thẳng:

Đối với dãy anten thông thường (Antennas, Anten Parabol ), tất cả các phần tử của dãy đều được kích thích dòng Với dãy anten Yagi-Uda (thuộc nhóm dãy kí sinh - parasitic array), thường chỉ có một phần tử được kích thích điện, các phần tử khác không được kích thích điện mà chi được ghép tương hỗ điện từ (thường được gọi là các phần tử kí sinh) Phần tử được cấp nguồn gọi là phần tử lái (driven element) thường là ½-λ dipole hoặc folded dipole, phần tử phía trước phần tử lái gọi là phần tử hướng xạ(director) mang tính cảm kháng, phần tử phía sau gọi là phần tử phản xạ(reflector) mang tính dung kháng Thường dãy anten Yagi-Uda được sử dụng ở chế độ end-fire Dạng tổng quát của anten Yagi-Uda như sau:

Hình 1.1: Dạng tổng quát của anten Yagi

Sơ đồ của anten được vẽ ở hình 1.2 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 1.2: Mô hình anten Yagi

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 chủ động ( I1) và dòng điện trong chấn tử thụ động (I2) có quan hệ dòng với nhau bởi biểu thức:

Bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử thụ động, có thể biến đổi độ lớn

và dấu của điện kháng riêng X22 và do đó sẽ biến đổi được a và ψ

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của ɑ và ψ vào X22

Hình 1.3 biểu thị quan hệ của 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 ≈ (0,1 → 0,25)λ thì khi điện kháng của chấn tử thụ động mang tính cảm kháng sẽ nhận được I2 sớm pha so với I1 Trong trườnghợp 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 I2 sẽ chậm pha so với dòng I1 và chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ.

Hình 1.3: vẽ đồ thị phương hướng của cặp chấn tử chủ động và thụ động khi d = 0,1λ ứng với các trường hợp khác nhau của arctg khi arctg( X22 /R22 ) > 0, chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ, còn khi arctg(X22/R22)< 0, chấn tử thụ động trở thành chấn tử dẫn xạ Trong thực tế, việc thay đổi điện kháng X22 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 X22 > 0, còn khi độ dài chấn tử nhỏ hơn độ dài cộng hưởng sẽ có X22 <

0 Vì vậy chấn tử phản xạthường có độ dài lớn hơn λ/2, còn chấn tử dẫn xạ thường có độ dài nhỏ hơn λ/2

Hình 1.4: 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 chấntử 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

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

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 chạy 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

>

=

v c

ξ

Để tính đúng hệ số chậm ξ, ta giả thiết kêt cấu có kích thước vô hạn

theo trục z Giả thiết này nhằm loại bỏ việc khảo sát ảnh hưởng của sóng phản xạ tại đầu cuối của kết cấu Qua phân tích đã cho thấy rằng sóng điện

từ truyền lan dọc theo kết cấu sẽ có năng lượng tập trung gần các chấn tử và tạo ra dòng trong các chấn tử có biên độ bằng nhau nhưng lệch pha nhau ∆ψ Nếu d là khoảng cách giữa hai chấn tử thì hệ số pha của sóng chậm sẽ được xác định bởi:

c γ ψ

γ = = = ∆

Hệ số sóng chậm ξ phụ thuộc vào độ dài l của các chấn tử và khoảng

cách d giữa chúng Bảng 5.1 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 a l =0, 01

Bảng 1.1

Hệ số sóng chậm ξ

Qua phân tích cũng đã xác nhận rằng nếu kết cấu có độ dài hữu hạn thì sẽxuất 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 1.1.

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 λo) theo công thức:

mà trong đó hệ số định hướng biến đổi không quá 3 dB Các kết quả

tính toán sự phụ thuộc của hệ số định hướng D và dải thông tần

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của D vào L/λ

Từ hình vẽ ta thấy hệ số định hướng của anten được xác định chủ yếu bởi độ dài tổng cộng dải thông tần của anten lại phụ thuộc nhiều vào số lượng chấn tử (ứng với L cho trước) Vì vậy, để mở rộng dải thông tần của anten cần tăng số chấn tử dẫn xạ (khi không thay đổi độ dài chung của anten) 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 L/λo = 2 và dải thông tần yêu cầu bằng

10% Từ hình 1.5 ta thấy cần chọn thông số d / l = 0,5 để nhận được hệ số định hướng gần bằng 12dB Đồng thời, với độ dài anten đã cho sẽ tính được chậm tốt nhất ξopt = 1,25 Từ bảng 1.1 sẽ xác định được độ dài chấn tử

2 Phương pháp tính các đặc trưng tham số của anten

Cách tính toán như đã xét ở ví dụ trên chỉ cho phép ước lượng sơ bộ chứ không thể dùng để thiết kế anten Để tính toán chính xác anten dẫn xạ 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 (hình 2.1)

Hình 2.1: Sơ đồ antenChấn 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 iXp, iX1 , iX2 , , iXn 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

Trong đó, R pp , RAA , R11 , R22 , , RNN là phần tử 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 = Z1 p , Z A1 = Z1A , , Z nk = Z kn

có thể được xác định theo các công thức của lý thuyết anten ( phương pháp sức điện động cảm ứng), hoặc tính theo các bảng cho sẵn Các đại lượng Xp,

XA, X1, X2, …, XN 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 (sau này, khi tính toán xong thì việc thể hiện thực tế các điện kháng này sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng 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 tuỳ ý ( ví dụ U = 1V)

Bước 2: Theo các trị số dòng điện tìm được khi giải hệ phương trình (2.1) sẽtính được hàm phướng hướng tổ hợp

(2.2)trong đó, θ là góc giữa trục anten và hướng của điểm khảo sát (hình 2.1)

Mặt phẳng H Mặt phẳng E

Hình 2.2 Góc θ trong mặt phẳng H và mặt phẳng EĐối với mặt phẳng H thì (2.2) 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 (2.2) với hàm phương hướng riêng của chấn tử

Bước 3: Tìm trở kháng vào của chấn tử chủ động khi có ảnh hưởng tương hỗ của các chấn tử thụ động:

(2.3)Trị số XA sẽ được chọn theo điều kiện để đảm bảo XVA = 0 Như vậy, từ (2.3) sẽ xác định được XA và do đó ZVA = RVA

Bước 4: Tính hệ số định hướng của anten ở hướng trục theo công thức:

D = D0 ( N + 2) (2.4)

trong đó, D0 = 1,64 là hệ số định hướng của chấn tử nửa sóng;

Cũng có thể tính theo công thức:

Dmax =A.λL (2.5)L: Độ dài anten

Hệ số A phụ thuộc vào tỷ số L/λ được biểu thị trên hình sau:

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của A vào L/λ

3 Vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng

Chấn tử đơn giản được ứng dụng phổ biến nhất là chấn tử nửa sóng (2l=λ/2) Để tiếp điện cho chấn tử ở dải sóng cực ngắn có thể dùng đường dây song hành hoặc cáp đồng trục

3.1 Tiếp điện cho chấn tử bằng dây song hành

Biết trở kháng vào của chấn tử nửa sóng khoảng 73Ω Nếu chấn tử được tiếpđiện bằng đường dây song hành ( trở kháng của dây song hành thông thường

có giá trị khoảng 200Ω đến 600 Ω) thì hệ số sóng chạy trong fide sẽ khá thấp Để khắc phục nhược điểm này có thể chế tạo các đường dây song hành đặc biệt có trở kháng thấp

Trở kháng sóng của dây song hành được xác định theo công thức:

(3.1)Trong đó:

D – khoảng cách hai dây dẫn tính từ tâm;

d – đường kính dây dẫn;

ε - hằng số điện môi tương đối của môt trường bao quanh dây dẫn.

Để giảm trở kháng sóng của dây song hành, có thể giảm tỷ số tăng đường kính dây dẫn hoặc giảm khoảng cách giữa hai dây), hoặc bao bọc đường dây bởi điện môi có  lớn Trong thực tế khoảng cách D không thể giảm nhỏ tùy ý vì nó có quan hệ với điện áp chịu đựng của đường dây Người ta chế tạo dây song hành có khoảng cách nhỏ, được bao bọc trong điện môi có  lớn và bên ngoài có vỏ kim loại Loại dây song hành này có trở kháng sóng khoảng 75Ω, có thể sử dụng để tiếp điện cho chấn tử ở dải sóng cực ngắn và sóng ngắn Nhưng nhược điểm của nó là điện áp chịu đựng thấp Điện áp cho phép cực đại thường không vượt quá 1kV Vì vậy loại fide này chỉ được sử dụng cho thiết bị thu hoặc phát có công suất nhỏ

Nếu dùng dây song hành có trở kháng sóng 600 Ohm để tiếp điện cho chấn tử nửa sóng thì các kích thước của sơ đồ phối hợp kiểu T có thể xác định gần đúng như nhau:

D = (0, 01 → 0,02)λ ; d1 = d2