Thiết kế anten yagi

Thiết kế anten yagi

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!

Thiết kế anten Yagi

Page 1

GVHD: NGUYỄN KHUYẾN

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Đề tài: Thiết kế anten yagi

MỤC LỤC Trang

I.Lý thuyết……….… 3

1 Những đặc tính cơ bản của Anten……… 6

2 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

I.Lý thuyết

1 Những đặc tính cơ bản của Anten

 Trường điện bức xạ vùng xa:

Trong đó:

T r ường từ bức xạ vùng xa:

 Vector Poynting trung bình

 Cường độ bức xạ:

 Công suất bức xạ:

 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-Z0)/(Z+Z0)

 Hiệu suất của 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 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 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

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 :

Anten phát Anten thu

Đường cung cấp Đường thu

Máy phát Máy thu

Điều chế Giải điều chế

Tín hiệu Tín hiệu

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 của nó

5 Sơ lưọc tần số

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 88

GVHD: Nguyễn Khuyến

SVTH: Đoàn Văn Lộc MSSV:20101819

Quy định các kênh và tần số tương ứng theo chuẩn Ireland và UK cho ứng dụng tivi kĩ thuật số

Kênh 57: băng tần 758Mhz-766Mhz

Kênh 58: băng tần 766Mhz-774Mhz

Kênh 59: băng tần 774Mhz-782Mhz

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(30-300Mhz) và UHF(300-3000Mhz) chính là anten Yagi-Uda Nó bao gồm một

số dipole thẳng như sau:

Một phần tử được cấp điện trực tiếp bằng đường dây truyền dẫn gọi là Driven, còn các phàn tử khác gọi là các bộ bức xạ kí sinh mà dòng của nó được cảm ứng bằng hỗ cảm phần tử cấp điện thông dụng của anten yagi-Uda

là dipole bẻ vòng Bộ bức xạ này được thiết kế để hoạt động như hệ thống bức

xạ trục, có các phần tử kí sinh theo chiều bức xạ thuận như các thanh hướng

xạ, trong khi thanh chiều ngược lại gọi là thanh phản xạ

Để đạt được bức xạ endfire, các phần tử kí sinh theo chiều bức xạ phải

có chiều dài ngắn hơn phần tử cấp điện thông thường phần tử cấp điện cộng hưởng chiều dài hơi bé hơn λ/2 (thường 0.45 - 0.49λ) trong khi chiều dài bộ hướng xạ khoảng 0.4 - 0.45λ Tuy nhiên các bộ hướng xạ không nhất thiết cùng chiều dài hay đường kính

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 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 điện và phần tử hướng xạ gần nhất, gần tối ưu khoảng 0.25λ

Vì chiều dài mỗi thanh hướng xạ là nhỏ hơn chiều dài cộng hưởng, trở kháng của nó có tính dung và dòng điện nhanh pha hơn sức điện động cảm ứng tương tự trở kháng của thanh phản xạ có tính cảm và dòng điện chậm pha hơn sức điện động cảm ứng

Các phần tử với khoảng cách thích hợp với chiều dài bé hơn λ/2 có tác dụng như hướng xạ bởi vì chúng tạo thành hệ thống sắp xếp với các dòng điện xấp xỉ như nhau về biên độ và có pha biến đổi độ dời bằng 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 phần tử gần thanh driven, chất lượng thay đổi rất ít nếu dùng nhiều hơn một thanh phản xạ Tuy nhiên, một sự cải tiến đáng chú ý đến nhiều thanh hướng xạ được thêm vào mảng Thực tế có giới hạn mà nếu vượt qua nó thì độ lợi tăng không đáng kể vì nếu

có quá nhiều thanh hướng xạ thì có sự giảm biên độ 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 to back ratio) biên

độ của bức xạ phụ Chiều dài và đường kính 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 độ của bức xạ phụ … Thông thường sự tương đương được thực 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 :

Là một phương pháp dựa trên phương trình tích phân chặt chẽ phân tính trường điện được bức xạ bởi các phần tử của mảng,mô tả phân bố dòng phức trên tất cả các phần tử, vận tốc pha, và đồ thị bức xạ tương ứng dựa trên 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 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

Page 1616

GVHD:Nguyễn Khuyến

SVTH: Đoàn Văn Lộc MSSV:20101819

Đồ thị phương hướng 7 chấn tử khi chưa chuẩn hóa

Khi chuẩn hóa :

Page 1717

GVHD:Nguyễn Khuyến

SVTH: Đoàn Văn Lộc MSSV:20101819

Tần số cộng hưởng f= 5Ghz

Page 1818

GVHD:Nguyễn Khuyến

SVTH: Đoàn Văn Lộc MSSV:20101819