Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59

Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59

ĐAMH I:Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Dương Thế Nhân đã giúp đỡ em rât nhiều trong quá trình thực hiện đồ án này! Page 1 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I:Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 Đề tài: Thiết kế anten yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 MỤC LỤC Trang I.Lý thuyết…………………………………………………….… 3 1. Vai trò của Anten trong đời sống……………………… 3 2. Giới thiệu lịch sử phát triển của Anten……………… 4 3. Những đặc tính cơ bản của Anten………………………. 6 4. Giới thiệu hệ thống anten thu phát……………………… 9 5. Sơ lược về kênh truyền hình 57-58-59………………… 10 6. Hệ thống bức xạ Yagi –Uda các phần tử thẳng………. 12 II. Mô phỏng…………………………………………………… 17 III. Kết luận và hướng phát triển……………………………… 31 Tài liệu tham khảo……………………………………………… 32 Page 2 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I:Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 I.Lý thuyết 1. Vai trò của Anten trong đời sống 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. 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 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. Cấu 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 Page 3 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I:Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 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 đồng 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 hướng 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. 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 thuần 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 bức xạ với các yêu cầu khác nhau, hoặc hệ thống gia công tín hiệu. 2. Giới thiệu 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. Page 4 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I:Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 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 từở 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. Một vài mốc quan trọng trong lịch sử phát triển của Anten:  Năm 1886: nhà vật lý người 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 thìở 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 truyền 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 đãđược 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, … Page 5 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I:Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 3. Những đặc tính cơ bản của Anten  Trường điện bức xạ vùng xa: Trong đó: Trường từ bức xạ vùng xa:  Vector Poynting trung bình  Cường độ bức xạ:  Công suất bức xạ: Page 6 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I:Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59  Độ định hướng:  Độ lợi:  Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương  Mức bức xạ phụ:  Tỷ lệ trước sau:  Phối hợp trở kháng Anten phải bảo đảm phát và thu năng lượng cực đại. Do đó anten phải được phối hợp trở kháng giữa nó với thiết bị phát và thiết bị thu để thu được hiệu quả cao nhất. Sự phối hợp trở kháng đặc trưng bởi hệ số phản xạ: Γ =(Z-Z 0 )/(Z+Z 0 )  Hiệu suất của anten: P r =η*P in  Dải tần Dao động điện từ biến điệu mang tin tức từ máy phát qua môi trường 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 Page 7 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I:Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 hợp với điều kiện chuyển sóng mà các đài liên lạc sóng ngắn phải làm việc ở các dải tần số khác nhau vào ban ngày và ban đêm. Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau mà không có sự thay đổi đáng kể về chất lượng.  Tính phân cực Tính phân cực cũng phải tùy yêu cầu cụ thể. Chẳng hạn anten phải đặt trên vật thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính ( hướng vectơ điện trường không thay đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực tròn hay phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động vẽ nên đường tròn hay elip). Ngoài ra, để đảm bảo khả năng thông tin theo kiểu tán xạ từ các miền bất đồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của anten phải thay đổi theo một chương trình nhất định. 4. Giới thiệu hệ thống anten thu phát Page 8 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I:Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 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 : 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. Page 9 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân Anten thu Đường thu Máy thu Giải điều chế Tín hiệu ĐAMH I:Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 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 của nó. 5. Sơ lược về kênh truyền hình 57-58-59 QUY ƯỚC VỀ CÁC DẢI TẦN SỐ Dải tần số Tên, ký hiệu Ứng dụng 3 – 30 kHz Very low freq. (VLF) định vị , thông tin dưới nước 30 – 300kHz Low freq. (LF) hàng hải hàng không 300 –3000kHz Medium freq. (MF) Phát thanh AM, hàng hải, trạm thông tin duyên hải, chỉ dẫn tìm kiếm 3 – 30 MHz High Freq. (HF) Điện thoại, điện báo, phát thanh sóng ngắn, hàng hải, hàng không 30 – 300MHz Very High Freq. (VHF) TV, phát thanh FM, điều khiển giao thông, cảnh sát, taxi, 0,3 – 3 GHz Ultrahigh (UHF) TV, thông tin vệ tinh, do thám, Radar giám sát, 3 – 30 GHz Superhigh freq. (SHF) Hàng không, Viba (microwave links), thông tin di động, thông tin vệ tinh 30 – 300GHz Extremly high freq. (EHF) Radar, nghiên cứu khoa học Kênh 57-58-59 là các kênh truyền hình ti vi kĩ thuật số nằm trong dải tần UHF Page 10 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân [...]... Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 • Port1 được mô phỏng có trở kháng 300Ω • Tín hiệu đưa vào là mặc định (gausian) Page 22 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 • Trường bức xạ mô phỏng ở miền xa Các kết quả: Page 23 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 • Đồ thị S11... Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 • Đồ thị trở kháng vào của anten theo tần số: - Phần thực: - Phần ảo: Page 25 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 • Đồ thị bức xạ 3D: • Đồ thị bức xạ cực cắt mặt θ=900 Page 26 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 Biểu đồ độ lợi... 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 Page 28 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 2.Hướng phát triển của đề tài Anten YaGi dùng để thu các tín hiệu truyền hình tương tự là chủ yếu, nó được thiết kế đơn giản, gọn nhẹ và kinh tế Tuy nhiên việc thiết kế Anten được trình bày... Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 Phương trình tích phân Pocklington’s trở thành: Với : Với n=1,2,3,4 N với N là số phần tử • Bức xạ miền xa: Với : Page 15 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 • Kết luận: Bằng thí nghiệm và mô phỏng thì : Khoảng cách phản xạ và cấp nguồn không ảnh hưởng nhiều đến đô lợi thu n và có ảnh... của anten Yagi- Uda hay giảm độ rộng mặt phẳng E, nhiều hàng của Yagi- Uda được sử dụng đẻ tạo thành màn anten (curtain anten) Để trung hòa các ảnh hưởng của dòng dây dẫn , một số lẻ các hàng được sử dụng Page 16 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 II Mô phỏng • Thiết kế Một tài liệu của chính phủ đã được xuất bản cung cấp dữ liệu rộng lớn các kết... I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 Cần thiết kế anten có độ lợ cao đồng thời cần có sự phối hợp trở kháng đúng Do anten hoạt động ở khoảng tần số thay đổi và trở kháng vào biến đổi theo tần số nên ta cố găng điều chỉnh các thông số cấu tạo anten để có được trở kháng vào ít thay đổi theo tần số nhất và phù hợp để dễ dàng cho việc phối hợp trở kháng III Kết luận và hướng phát triển 1.Kết... hết sức thiết thực Do vậy việc nghiên cứu anten với sự hỗ trợ ngày càng mạnh hơn của kỹ thu t máy tính có thể tạo ra bước đột phá trong ngành thông tin liên lạc cũng như các dịch vụ giải trí truyền hình Page 29 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Antenna theory analysis and design third editon Constantine A Balanis [2] Truyền. .. bộ hướng xạ khoảng 0.4 - 0.45λ Tuy nhiên các bộ hướng xạ không nhất thiết cùng chiều dài hay đường kính Page 12 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 Khoảng cách giữa các hướng xạ thông thường là 0.3 - 0.4λ và không cần thiết đồng nhất để thiết kế tối ưu Thực nghiệm cho thấy với anten Yagi- Uda dài 6λ thì độ lợi tương đương độc lập với khoảng cách các... 738 746 754 762 770 778 786 Kênh 57: băng tần 758Mhz-766Mhz Kênh 58: băng tần 766Mhz-774Mhz Kênh 59: băng tần 774Mhz-782Mhz Page 11 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 6 Hệ thống bức xạ Yagi –Uda các phần tử thẳng Một hệ thống bức xạ rất thực tế cho các dãy HF(3-30Mhz),VHF(30300Mhz) và UHF(300-3000Mhz) chính là anten Yagi- Uda Nó bao gồm một số dipole... theo tạo điều kiện thu n lợi cho việc thiết kế ăng-ten có chiều dài khác nhau để đạt được độ lợi tối đa Mặc dù tài liệu không bao gồm tất cả các thiết kế có thể, chúng đáp ứng hầu hết các yêu cầu thực tiễn Bảng sau trình bày các thông số ăng-ten tối ưu hóa cho sáu độ dài khác nhau với d / λ = 0,0085: Page 17 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 d/λ=0.0085 . Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 Đề tài: Thiết kế anten yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 MỤC LỤC Trang I.Lý thuyết…………………………………………………….…. lan truyền trong không gian. Page 9 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân Anten thu Đường thu Máy thu Giải điều chế Tín hiệu ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 Khi đến anten thu. Kênh 57-58-59 là các kênh truyền hình ti vi kĩ thu t số nằm trong dải tần UHF Page 10 GVHD: ThS.Nguyễn Dương Thế Nhân ĐAMH I :Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59 Quy định các kênh