Thiết kế anten yagi
Thiết kế anten Yagi Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Dương Thế Nhân giúp đỡ em rât nhiều trình thực đồ án này! Page GVHD: NGUYỄN KHUYẾN BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Đề tài: Thiết kế anten yagi MỤC LỤC Trang I.Lý thuyết…………………………………………………….… Những đặc tính Anten……………………… Hệ thống xạ Yagi –Uda phần tử thẳng……… 12 II Mô phỏng…………………………………………………… 17 III Kết luận hướng phát triển……………………………… 31 Tài liệu tham khảo……………………………………………… 32 I.Lý thuyết Những đặc tính Anten Trường điện xạ vùng xa: Trong đó: T r ường từ xạ vùng xa: Vector Poynting trung bình Cường độ xạ: Công suất xạ: Độ định hướng: Độ lợi: Công suất xạ đẳng hướng tương đương Mức xạ phụ: Tỷ lệ trước sau: Phối hợp trở kháng Anten phải bảo đảm phát thu lượng cực đại Do anten phải phối hợp trở kháng với thiết bị phát thiết bị thu để thu hiệu cao Sự phối hợp trở kháng đặc trưng hệ số phản xạ: Γ =(Z-Z0)/(Z+Z0) Hiệu suất anten: Pr =η*Pin 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 dải tần định Để chống nhiễu thường dùng phương pháp chuyển tần số công tác để phù hợp với điều kiện chuyển sóng mà đài liên lạc sóng ngắn phải làm việc dải tần số khác vào ban ngày ban đêm Do anten phải làm việc dải tần khác mà thay đổi đáng kể chất lượng Tính phân cực Tính phân cực phải tùy yêu cầu cụ thể Chẳng hạn anten phải đặt vật thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính ( hướng vectơ điện trường không thay đổi theo thời gian) để thu trường anten thu phải có phân cực tròn hay phân cực elip (đầu mút vectơ E chu kỳ dao động vẽ nên đường tròn hay elip) Ngoài ra, để đảm bảo khả thông tin theo kiểu tán xạ từ miền bất đồng tầng đối lưu có độ tin cậy cao đặc trưng hướng anten phải thay đổi theo chương trình định 4 Giới thiệu hệ thống anten thu phát Ngày nay, với phát triển kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên lạc dùng anten sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Sau sơ đồ hệ thống thu phát đơn giản : Anten phát Đường cung cấp Anten thu Đường thu Máy phát Máy thu Điều chế Giải điều chế Tín hiệu Tín hiệu Ở hệ thống phát anten đóng vai trò thành phần xạ sóng điện từ, chuyển tín hiệu điện thành lượng điện từ lan truyền không gian Khi đến anten thu lượng điện từ biến đổi thành tín hiệu điện máy thu,ở tín hiệu trả dạng ban đầu 5 Sơ lưọc tần số QUY ƯỚC VỀ CÁC DẢI TẦN SỐ Dải tần số Tên, ký hiệu – 30 kHz Very low freq (VLF) 30 – 300kHz 300 –3000kHz – 30 MHz Ứng dụng định vị , thông tin nước Low freq (LF) hàng hải hàng không Medium freq (MF) Phát AM, hàng hải, trạm thông tin duyên hải, dẫn tìm kiếm High Freq (HF) Điện thoại, điện báo, phát sóng ngắn, hàng hải, hàng không 30 – 300MHz Very High Freq (VHF) TV, phát FM, điều khiển giao thông, cảnh sát, taxi, 0,3 – GHz Ultrahigh (UHF) TV, thông tin vệ tinh, thám, Radar giám sát, – 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 kênh truyền hình ti vi kĩ thuật số nằm dải tần UHF Page 88 GVHD: Nguyễn Khuyến SVTH: Đoàn Văn Lộc MSSV:20101819 Quy định kênh tần số tương ứng theo chuẩn Ireland UK cho ứng dụng tivi kĩ thuật số Channel 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 DTT MHz 474 482 490 498 506 514 522 530 538 546 554 562 570 578 586 594 602 610 618 626 Channel 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 DTT MHz 634 642 650 658 666 674 682 690 698 706 714 722 730 738 746 754 762 770 778 786 Kênh 57: băng tần 758Mhz-766Mhz Kênh 58: băng tần 766Mhz-774Mhz Kênh 59: băng tần 774Mhz-782Mhz Hệ thống xạ Yagi –Uda phần tử thẳng Một hệ thống xạ thực tế cho dãy HF(3-30Mhz),VHF(30300Mhz) UHF(300-3000Mhz) anten Yagi-Uda Nó bao gồm số dipole thẳng sau: Một phần tử cấp điện trực tiếp đường dây truyền dẫn gọi Driven, phàn tử khác gọi xạ kí sinh mà dòng cảm ứng hỗ cảm phần tử cấp điện thông dụng anten yagi-Uda dipole bẻ vòng Bộ xạ thiết kế để hoạt động hệ thống xạ trục, có phần tử kí sinh theo chiều xạ thuận hướng xạ, chiều ngược lại gọi phản xạ Để đạt xạ endfire, phần tử kí sinh theo chiều xạ phải có chiều dài ngắn phần tử cấp điện thông thường phần tử cấp điện cộng hưởng chiều dài bé λ/2 (thường 0.45 - 0.49λ) chiều dài hướng xạ khoảng 0.4 - 0.45λ Tuy nhiên hướng xạ không thiết chiều dài hay đường kính Khoảng cách hướng xạ thông thường 0.3 - 0.4λ không cần thiết đồng để thiết kế tối ưu Thực nghiệm cho thấy với anten Yagi-Uda dài 6λ độ lợi tương đương độc lập với khoảng cách hướng xạ đến khoảng 0.3λ mát có ý nghĩa 5-7dB ghi nhận ghi nhận cho khoảng cách hướng xạ lớn 0.3λ, độ lợi anten độc lập với bán kính hướng xạ đến khoảng 0.024λ Chiều dài phản xạ lớn phần tử cấp điện khoảng cách phần tử cấp điện phần tử phản xạ ngắn khoảng cách phần tử cấp điện phần tử hướng xạ gần nhất, gần tối ưu khoảng 0.25λ Vì chiều dài hướng xạ nhỏ chiều dài cộng hưởng, trở kháng có tính dung dòng điện nhanh pha sức điện động cảm ứng tương tự trở kháng phản xạ có tính cảm dòng điện chậm pha sức điện động cảm ứng Các phần tử với khoảng cách thích hợp với chiều dài bé λ/2 có tác dụng hướng xạ chúng tạo thành hệ thống xếp với dòng điện xấp xỉ biên độ có pha biến đổi độ dời tăng cường trường phần tử được lượng hóa theo chiều hướng xạ Tương tự, khoảng cách thích hợp với chiều dài λ/2 hay cao chút có tác dụng phản xạ Do anten Yagi-Uda xem cấu trúc cung cấp sóng chạy mà chất lượng xác định nhờ phân bố dòng phần tử vận tốc pha sóng chạy Thực tế, vai trò phản xạ phần tử gần driven, chất lượng thay đổi dùng nhiều phản xạ Tuy nhiên, cải tiến đáng ý đến nhiều hướng xạ thêm vào mảng Thực tế có giới hạn mà vượt qua độ lợi tăng không đáng kể có nhiều hướng xạ có giảm biên độ dòng cảm ứng Thông thường nên có từ 6-12 hướng xạ Tuy nhiên nhiều hệ thống thiết 30-40 phần tử chiều dài hệ thống óc bậc λ ví dụ Một độ lợi(so với vô hướng) khoảng từ 5-9 dB/λ thông thường cho mảng này, tạo độ lợi toàn cục từ 30-54 (14.8-17.3) Các đặc tính xạ quan tâm anten Yagi-Uda độ lợi thuận ngược trở kháng vào,băng thông, tỉ lệ trước sau (front to back ratio) biên độ xạ phụ Chiều dài đường kính hướng xạ phản xạ khoảng cách xác định đặc tính tối ưu Đã trải qua nhiều năm, phương pháp thiết kế tối ưu dựa vào thực nghiệm nhiên nhờ phương pháp số, máy tính tìm kích thước hình học để đạt chất lượng hoạt động cao Thông thường anten Yagi-Uda có trở kháng vào thấp băng thông hẹp (2%) Sự cải thiện đạt chịu mát độ lợi (gain), biên độ xạ phụ … Thông thường tương đương thực phụ thuộc vào kích thước cụ thể Một cách thay đổi trở kháng ngõ vào mà không làm thay đổi thông số khác dùng dipole FRB =20(15dB) Đối với thiết kế tối ưu, xạ phụ khoảng 30% hay nhỏ -5.23dB so với xạ Anten Yagi-Uda tóm tắt gồm phần: 1.Sự xếp phản xạ - cấp nguồn (reflector_feeder) Cấp nguồn (feeder) 3.Các hướng xạ (Directors) Phương pháp Moment : Là phương pháp dựa phương trình tích phân chặt chẽ phân tính trường điện xạ phần tử mảng,mô tả phân bố dòng phức tất phần tử, vận tốc pha, đồ thị xạ tương ứng dựa phương trình tích phân Pocklington’s Phương trình tích phân Pocklington’s Với: Phương trình tích phân Pocklington’s trở thành: Với : Với n=1,2,3,4 N với N số phần tử Bức xạ miền xa: Với : II 1>yêu cầu thiết kế :anten yagi chấn tử có tần số cộng hưởng 5Ghz Các kết quả: Page 14 GVHD: Nguyến Khuyến SVTH: Đoàn Văn Lộc MSSV:20101819 Đồ thị xạ 3D: Đồ thị xạ cực cắt mặt θ=900 Đồ thị phương hướng chấn tử Hình ảnh anten không gian chiều dài chấn tử GVHD:Nguyễn Khuyến SVTH: Đoàn Văn Lộc Page 1616 MSSV:20101819 Đồ thị phương hướng chấn tử chưa chuẩn hóa Khi chuẩn hóa : GVHD:Nguyễn Khuyến SVTH: Đoàn Văn Lộc Page 1717 MSSV:20101819 Tần số cộng hưởng f= 5Ghz GVHD:Nguyễn Khuyến SVTH: Đoàn Văn Lộc Page 1818 MSSV:20101819 [...]... trở thành: Với : Với n=1,2,3,4 N với N là số phần tử Bức xạ miền xa: Với : II 1>yêu cầu thiết kế :anten yagi 7 chấn tử có tần số cộng hưởng 5Ghz Các kết quả: Page 14 GVHD: Nguyến Khuyến SVTH: Đoàn Văn Lộc MSSV:20101819 Đồ thị bức xạ 3D: Đồ thị bức xạ cực cắt mặt θ=900 Đồ thị phương hướng của 3 chấn tử Hình ảnh của anten trong không gian và chiều dài của chấn tử GVHD:Nguyễn Khuyến SVTH: Đoàn Văn Lộc Page... của các hướng xạ và phản xạ cũng như khoảng cách xác định các đặc tính tối ưu Đã trải qua nhiều năm, các phương pháp thiết kế tối ưu dựa vào thực nghiệm tuy nhiên nhờ các phương pháp số, máy tính có thể tìm các kích thước hình học để đạt được chất lượng hoạt động cao Thông thường anten Yagi- Uda có trở kháng vào thấp và băng thông hẹp (2%) Sự cải thiện có thể đạt được nếu chịu mất mát độ lợi (gain), biên... hiện và phụ thuộc vào kích thước cụ thể Một cách thay đổi trở kháng ngõ vào mà không làm thay đổi các thông số khác là dùng dipole FRB =20(15dB) Đối với các thiết kế tối ưu, các bức xạ phụ khoảng 30% hay nhỏ hơn -5.23dB so với bức xạ chính Anten Yagi- Uda có thể được tóm tắt gồm 3 phần: 1.Sự sắp xếp phản xạ - cấp nguồn (reflector_feeder) 2 Cấp nguồn (feeder) 3.Các hướng xạ (Directors) Phương pháp Moment... dòng cảm ứng Thông thường nên có từ 6-12 hướng xạ Tuy nhiên nhiều hệ thống được thiết kế đến 30-40 phần tử chiều dài hệ thống óc bậc 6 λ là một ví dụ Một độ lợi(so với vô hướng) khoảng từ 5-9 dB/λ là thông thường cho các mảng này, sẽ tạo ra độ lợi toàn cục từ 30-54 (14.8-17.3) Các đặc tính bức xạ được quan tâm của anten Yagi- Uda là độ lợi thuận và ngược trở kháng vào,băng thông, tỉ lệ trước sau (front... nhau sẽ tăng cường trường của phần tử được được năng lượng hóa theo chiều của bộ hướng xạ Tương tự, một khoảng cách thích hợp với chiều dài λ/2 hay cao hơn chút ít sẽ có tác dụng như bộ phản xạ Do vậy anten Yagi- Uda có thể được xem như là cấu trúc cung cấp sóng chạy mà chất lượng được xác định nhờ phân bố dòng trong mỗi phần tử và vận tốc pha của sóng chạy Thực tế, vai trò chính của phản xạ chỉ bởi một...dài 6λ thì độ lợi tương đương độc lập với khoảng cách các hướng xạ đến khoảng 0.3λ một mất mát có ý nghĩa 5-7dB được ghi nhận được ghi nhận cho các khoảng cách giữa các hướng xạ lớn hơn 0.3λ, độ lợi của anten cũng độc lập với bán kính bộ hướng xạ đến khoảng 0.024λ Chiều dài bộ phản xạ lớn hơn phần tử cấp điện khoảng cách giữa phần tử cấp điện và phần tử phản xạ thì ngắn hơn khoảng cách giữa phần tử cấp ... Đề tài: Thiết kế anten yagi MỤC LỤC Trang I.Lý thuyết…………………………………………………….… Những đặc tính Anten …………………… Hệ thống xạ Yagi –Uda phần tử thẳng……… 12 II Mô phỏng…………………………………………………… 17 III Kết luận... Tuy nhiên hướng xạ không thiết chiều dài hay đường kính Khoảng cách hướng xạ thông thường 0.3 - 0.4λ không cần thiết đồng để thiết kế tối ưu Thực nghiệm cho thấy với anten Yagi- Uda dài 6λ độ lợi... Với n=1,2,3,4 N với N số phần tử Bức xạ miền xa: Với : II 1>yêu cầu thiết kế :anten yagi chấn tử có tần số cộng hưởng 5Ghz Các kết quả: Page 14 GVHD: Nguyến Khuyến SVTH: Đoàn Văn Lộc MSSV:20101819