Đồ án thiết kế và thi công anten yagi

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 1 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện MỤC LỤC Nội dung Trang Mở Đầu 4 Tóm Tắt nội dung 5 Phần I : Lý Thuyết Anten 6 Chương 1: Giới Thiệu Sơ Lược Về Anten 6 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten 6 1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát 7 1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện 8 1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten 10 Chương 2: Lý Thuyết Cơ Bản Về Anten 12 2.1. Quá trình bức xạ sóng điện từ 12 2.2. Vận tốc truyền lan sóng điện từ 14 2.3. Dải tần và dải tần công tác của anten 19 2.4. Hệ phương trình Maxwell 20 2.5. Hệ số tác dụng định hướng D và Hệ số tăng ích G 25 Chương 3: Lý Thuyết Gần Đúng Về Chấn Tử Đối Xứng 29 3.1. Phân bố dòng trên chấn tử đối xứng 29 3.2. Trở kháng sóng của chấn tử đối xứng 34 3.3. Trở kháng vào của chấn tử đối xứng 34 3.4. Độ rút ngắn của chấn tử nửa sóng. 36 3.5. Hệ số tác dụng định hướng của chấn tử đối xứng 37 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 2 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Chương 4: Lý Thuyết Anten Thu 39 4.1. Chấn tử đối xứng làm việc ở chế độ thu 39 4.2. Áp dụng nguyên lý tương hỗ để nghiên cứu tính chất chung của anten thu 42 4.3. Công suất thu được trên tải anten thu 46 4.4. Diện tích hiệu dụng của anten thu 48 Phần II: Thiết Kế Và Thi Công Anten Yagi 50 Chương 5: Anten Yagi 50 5.1. Cấu trúc của anten Yagi 50 5.2. Phương pháp tính các đặc trưng tham số của anten 58 5.3. Vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng 61 Chương 6: Mô Phỏng 69 6.1. Trường hợp d = 0,25λ; f = 650 Mhz; thay đổi N 69 6.2. Trường hợp N = 6, f = 650 Mhz; thay đổi d 72 6.3. Trường hợp N = 6; d px = d dx = 0,25λ, thay đổi tần số 76 6.4. Trường hợp f = 650 Mhz; thay đổi N và d 79 6.5. Trường hợp d px = d dx = 0,115 m thay đổi N và f 81 6.6. Trường hợp N = 6, thay đổi f và d 83 Chương 7: Thiết Kế Và Thi Công Anten Yagi Thu Các Kênh Truyền Hình BTV1, BTV2 86 7.1. Vài nét về dài truyền hình Bình Dương 86 7.2. Chọn mô hình và các thông số cấu tạo của anten 87 7.3. Tính đặc trưng hướng 89 7.4. Tính trở vào của anten 93 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 3 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện 7.5. Tính hệ số tác dụng định hướng 94 7.6. Tiếp điện cho anten 95 7.7. Thi công 95 Kết luận và hướng phát triển 96 Tài liệu tham khảo 98 Phụ Lục 1: Các toán tử trường điện từ anten 99 Phụ Lục 2: Bảng trở kháng của hai chấn tử nửa sóng 101 Phụ Lục 3: Chương trình mô phỏng 104 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 4 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con người ngày càng cao và thật sự cần thiết. Bằng cách sử dụng các hệ thống phát, thu vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của con người ở các khoảng cách xa một cách nhanh chóng và chính xác. Bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng anten để phát hoặc thu tín hiệu. Trong cuộ c 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. Qua việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật anten sẽ giúp ta nắm được các cơ sở lý thuyết anten, nguyên lý làm vi ệc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số cơ bản của các loại anten thường dùng. Đó là lý do người thực hiện chọn đề tài “ Thiết kế và thi công anten Yagi”. Mục đích của đề tài là tìm hiểu về lý thuyết anten, phương pháp tính và thiết kế anten Yagi thu được các kênh BTV1, BTV2 của đài truyền hình Bình Dương. Như thế, giới hạn của đề tài chỉ trong phạm vi hẹp là nghiên cứu anten Yagi và các phần lý thuyết có liên quan. Tuy nhiên đây là cơ s ở rất quan trọng để có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển kỹ thuật anten . Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 5 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện TÓM TẮT NỘI DUNG Tập luận văn này được chia làm hai phần chính:  Phần I: Lý thuyết anten Trong phần này, sẽ khái quát về sự ra đời, vị trí, vai trò và những yêu cầu cơ bản của anten trong kỹ thuật vô tuyến điện và lý thuyết cần thiết để nghiên cứu và thiết kế anten cụ thể như:  Lý thuyết về truyền sóng  Lý thuyết cơ bản về anten  Lý thuyết gầ n đúng về chấn tử đối xứng  Lý thuyết về anten thu  Phần II: Thiết kế và thi công anten Yagi Phần này sẽ trình bày về lý thuyết anten Yagi Sử dụng Matlab để mô phỏng đồ thị bức xạ của anten khi thay đổi các thông số kỹ thuật của anten. Trình bày quá trình thiết kế anten Yagi thu các kênh BTV1, BTV2 của đài truyền hình Bình Dương theo yêu cầu của đề tài. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 6 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Phần I: LÝ THUYẾT ANTEN  Chương 1: GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ ANTEN 1.1. Sơ lược lịch sử phát triển của 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 dẫ n 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. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 7 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện 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. Một vài mốc quan trọng trong lịch sử phát triển của Anten:  Năm 1886: nhà vật lý ngườ i Đức Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu dùng một mạch dao động hở với lưỡng cực Hertz thì ở vùng xa lưỡng cực sẽ hình thành trường phát xạ.  Sau khi hoàn thành dụng cụ để chứng minh thí nghiệm của Hertz, năm 1897 Popob nhà phát minh vô tuyến điện người Nga đã dùng các dụng cụ này làm phương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn và có khả năng truy ền các tín hiệu ở khoảng cách 3 dặm.  Năm 1901 : Guglielmo Marconi đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cách lớn. Hệ thống này hoạt động ở tần số khoảng 60 Khz .  Năm 1916 : Trước năm 1916, hầu hết thông tin vô tuyến chủ yếu là điện báo. Trong năm 1916, lần đầu tiên sử dụng tín hiệu đã điều chế biên độ để truyền tín hiệu thoại qua sóng vô tuyến .  Năm 1930: Người ta tạo được nguồn phát klystron và magnetron có khả năng phát ra tín hiệu với tần số lên đến GHz (gọi là dao động cao tần).  Từ 1940 đến nay: Anten đã được ứng dụng rất rộng rãi trong hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa, … 1.2. Giới thiệu hệ thống thu phát Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên lạc dùng anten được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Sau đây là sơ đồ hệ thống thu phát đơn giản : Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 8 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tin Ở hệ thống phát anten đóng vai trò như là thành phần bức xạ sóng điện từ, nó chuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian. Khi đến anten thu thì năng lượng điện từ được biến đổi thành tín hiệu điện ở máy thu, ở đây tín hiệu được trả về dạng ban đầu c ủa nó. 1.3. Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện 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 (h ữu tuyến). Cách truyền này tuy có độ chính xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền. 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) t ừ 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. Hệ thống cảm ứng bức xạ Hệ thống gia công tín hiệu Máy thu Thiết bị xử lý tin Hệ thống cung cấp tín hiêu Hệ thống bức xạ Thiết bị điều chế Máy phát Hệ thống phát Hệ thống thu Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 9 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện 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. Ví dụ, một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu. Thông thường giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là fide. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian. C ấu tạo của anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên. Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nó tiếp thu sóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này sẽ được truyền theo fide tới máy thu, còn một phần sẽ bức xạ trở lại vào không gian (bức xạ thứ cấp). Yêu cầu của thiết bị anten-fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu. Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiến từ xa…. Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau.Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồ ng đều trong mặt phẳng ngang, để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Song anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướ ng không cần thiết. Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến điều khiển…thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 10 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướng nhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước. Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, rada, điều khiển … cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thu ần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten, hệ thống cung cấp tín hiệu bảo đảm việc phân phối năng lượng cho các phần tử bứ c xạvới các yêu cầu khác nhau, hoặc hệ thống gia công tín hiệu. 1.4. Những yêu cầu cơ bản của Anten Những yêu cầu cơ bản đối với anten được xác định bởi nhiệm vụ của thiết bị vô tuyến điện, chẳng hạn yêu cầu về:  Tính định hướng Anten của các đài truyền thanh, truyền hình phải phát xạ đều theo mọi phía dọc mặt đất, còn trong radar thông tin cần phải phát xạ trong một hình quạt hẹp nhằm để tập trung năng lượng về phía đài đối. Anten cũng phải có tính chất thu định hướng, cùng với độ chọn lọc của máy thu, tính chọn lọc theo hướng của anten là phương tiện chống nhiễu có hiệu quả.  Phối hợp trở kháng Anten phải bảo đảm phát và thu năng lượng cực đại. Do đó mà có thể xem anten như một thiết bị phối hợp giữa fide và không gian tự do.  Dải tần Dao động điện từ biến điệu mang tin tức từ máy phát qua fide tới anten. Để thông tin không bị méo, anten phải có một dải tần nhất định. Để chống nhiễu thường dùng phương pháp chuyển tần số công tác hoặc để phù hợp với điều kiện chuyển sóng mà các đài liên lạc sóng ngắn phải làm việc ở các dải tần số khác [...]... Quang Chí Thi n - Trang 27 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Đồ án tốt nghiệp Thi t kế và thi công anten yagi 2.5.2 Hệ số tăng ích của anten Hệ số tăng ích của anten cũng được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giả thi t công suất đặt vào hai anten bằng... Quang Chí Thi n - Trang 25 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Đồ án tốt nghiệp Thi t kế và thi công anten yagi 2.5.1 Hệ số định tác dụng định hướng Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho: là tỷ số của mật độ công suất bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của hai anten giống nhau Anten. .. : ThS Lại Nguyễn Duy Đồ án tốt nghiệp Thi t kế và thi công anten yagi anten làm việc với các chỉ tiêu kỹ thuật đã cho gọi là dải tần công tác của anten Chỉ tiêu kỹ thuật này có thể khác nhau đối với từng loại anten cụ thể Ví dụ đối với anten chấn tử không đối xứng đặt thẳng đứng dùng làm anten phát ở dải sóng dài và sóng trung thì yêu cầu là trong dải tần số công tác, hiệu suất anten không được nhỏ... cơ bản khi khảo sát các anten là xác định trường bức xạ tạo ra trong không gian, xác định các thông số như trở kháng bức xạ, trở kháng vào của anten Để tìm trường bức xạ cần xác định hàm phân bố dòng trên anten SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn Bùi Quang Chí Thi n - Trang 29 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Đồ án tốt nghiệp Thi t kế và thi công anten yagi Đối với anten chấn tử, đây là bài toán phức tạp Người ta đã... thi t phân bố dòng điện hình sin cũng nhận được kết quả khá phù hợp với thực nghiệm Vì vậy, trong phần lớn các tính toán kỹ thuật có thể cho phép áp dụng giả thi t gần đúng về phân bố dòng điện sóng đứng hình sin Hình 3.3: Chấn tử đối xứng trong hệ tọa độ cầu SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn Bùi Quang Chí Thi n - Trang 31 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Đồ án tốt nghiệp Thi t kế và thi công anten yagi Với giả thi t. .. nó phụ thuộc vào tỷ số 2l   Tại một điểm bất kỳ trên anten dòng và áp lệch pha 900 SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn Bùi Quang Chí Thi n - Trang 33 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Đồ án tốt nghiệp Thi t kế và thi công anten yagi 3.2 Trở kháng sóng của chấn tử đối xứng Có thể tính trở kháng sóng của chấn tử theo công thức gần đúng sau:    A  120  ln Trong đó: 2l   1 a  (3.5)  A - trở kháng sóng của chấn... tín hiệu có dạng bất kỳ sẽ truyền lan với vận tốc  và dạng của tín hiệu không bị biến đổi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn Bùi Quang Chí Thi n - Trang 18 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Đồ án tốt nghiệp Thi t kế và thi công anten yagi 2.3 Dải tần và dải tần công tác của anten 2.3.1 Dải thông tần Ngoài các đặc tính bức xạ của anten về năng lượng, khi khảo sát anten còn cần lưu ý đến một đặc tính quan trọng nữa... (3.9) Trong đó Rbxb – trở bức xạ ứng với dòng điện ở điểm bụng Trên hình 3.5 mô tả Rv và Rx phụ thuộc vào tỷ số l  Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Rv và Rx vào SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn Bùi Quang Chí Thi n - Trang 35 - l  GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Đồ án tốt nghiệp Thi t kế và thi công anten yagi Từ đồ thị ta rút ra một số kết luận sau:  Đường cong Rv có những đỉnh cộng hưởng khi ρA tăng thì tính cộng hưởng... Bùi Quang Chí Thi n - Trang 21 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Đồ án tốt nghiệp Thi t kế và thi công anten yagi  e - mật độ khối của điện tích (C/m3) Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích Nhưng trong một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng và từ tích Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ... còn anten chuẩn có hiệu suất bằng 1 Hiệu suất của anten ( A ) cũng là một trong số các thông số đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten Nó được xác định bởi tỷ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào anten A  Pbx P0 (2.39) P0 - công suất đưa vào anten Đối với anten có tổn hao thì Pbx < P0  A < 1, còn anten lý tưởng (không tổn hao) thì A =1 Trường hợp hai anten có công suất đặt vào . loại anten thường dùng. Đó là lý do người thực hiện chọn đề tài “ Thi t kế và thi công anten Yagi . Mục đích của đề tài là tìm hiểu về lý thuyết anten, phương pháp tính và thi t kế anten Yagi. chất chung của anten thu 42 4.3. Công suất thu được trên tải anten thu 46 4.4. Diện tích hiệu dụng của anten thu 48 Phần II: Thi t Kế Và Thi Công Anten Yagi 50 Chương 5: Anten Yagi 50 5.1 Máy thu Thi t bị xử lý tin Hệ thống cung cấp tín hiêu Hệ thống bức xạ Thi t bị điều chế Máy phát Hệ thống phát Hệ thống thu Đồ án tốt nghiệp Thi t kế và thi công anten yagi