Thiết kế anten YAGI có 7 chấn tử, làm việc ở tần số f = 300 MHz , zv = 75ω, độ rộng đồ thị phương hướng 2  12 = 25 độ

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

Trang 2

Mục lục Trang

Lời nói đầu……… 3

Chương I: Trình bày chi tiết về anten Yagi: cấu tạo, nguyên lý hoạt động,và các thông số cần quan tâm ……… 4

I.Cấu tạo anten……… 4

II.Tiếp điện và phối hợp trở kháng……… 6

Chương II: thiết kế ,mô phỏng anten YAGI yêu cầu ……….8

I.Tính toán và mô phỏng chiều dài anten, độ rộng giữa các chấn tử……… 8

II Tính đặc trưng hướng……….16

III.Phối hợp trở kháng……….20

Chương III: Đưa ra những kết quả thu được.Đánh giá, so sánh các kết quả so với yêu cầu Nhận xét và thảo luật hướng phát triển đề tài……… 21

Lời nhận xét của giáo viên hướng dẫn: ………

………

Sv: Biện Văn Hào 2 Bộ môn: Vật lý Vô tuyến

Trang 3

Lời nói đầu

Ngày nay nhu cầu về thông tin vô tuyến đang phát triển rất mạnh mẽ trong hầu hết các

lĩnh vực từ thông tin di động, đến truy cập Internet không dây, y tế môi trường, V.V Mỗi

thiết bị vô tuyến cần phải có anten đế thu và phát tín hiệu Vì vậy Anten là bộ phận không thểthiếu trong các thiết bị thu phát, truyền tin Nhất là với công nghệ kết nối không dây đang pháttriển rất mạnh như hiện nay anten đã có những thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc,kích thước nhằm thoả mãn tối đa nhu cầu của người sừ dụng

Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều loại anten mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông Anten Yagi cũng rất thích hợp đối với các ứng dụng truyền thông không dây, vô tuyến truyền hình ( mà chủ yếu là truyền hình tương tự) , các đài rade sóng mét

Trong khuôn khổ đề tài này, cùng với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, nhóm tôi sẽ

đi sâu vào tìm hiểu về anten Yagi, và mô phỏng, thiết kế anten YAGI có 7 chấn tử, làm việc ởtần số F = 300 MHz , Zv = 75Ω, độ rộng đồ thị phương hướng = 25 độ bằng phần mềm môphỏng Matlab Nội dung khóa luận bao gồm 3 chương chính:

Chương I: Trình bày chi tiết về anten Yagi: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, và các thông

số cần quan tâm

Chương II: mô phỏng, thiết kế anten YAGI có 7 chấn tử, làm việc ở tần số F = 300 MHz ,

Zv = 75Ω, độ rộng đồ thị phương hướng 21/2= 25 độ.Trình bày các kết quả thu được của việc môphỏng Yagi trên Matlab

Chương III: Đưa ra những kết quả thu được thông qua việc tính toán và mô phỏng Đánhgiá, so sánh các kết quả so với yêu cầu Nhận xét và thảo luật hướng phát triển đề tài

Trang 4

Chương I: Trình bày chi tiết về anten Yagi: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, và các thông số cần quan tâm.

I.Cấu trúc Anten

Thông thường, ở mỗi Anten Yagi chỉ có một chấn tử làm nhiệm vụ phản xạ 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 Khoảng cách giữa chấn tử 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

Để có được hệ số định hướng theo hướng bức xạ chính, kích thước của các chấn

tử dẫn xạ và khoảng cách giữa chúng cần được lựa chọn thích đáng, sao cho đạt được quan hệ xác định đối với dòng điện trong các chấn tử

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

a Tiếp điện cho chấn tử bằng dây song hành

Tiếp điện cho chấn tử bằng dây song hành

Biết trở kháng vào của chấn tử nửa sóng khoảng 73Ω.Nếu chấn tử được tiếp điện bằng đường dây song hành (trở kháng của dây song hành thông thường có giátrị khoảng 200Ω đến 600 Ω) thì

Trang 5

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:

R=

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

– Chấn tử kiểu T:Một dạng khác của sơ đồ tiếp điện song song là sơ đồ phối hợp kiểu T (hình 5.8a)

– Chấn tử vòng dẹtKhi dịch chuyển điểm AA (hình 5.8a) ra tới đầu mút chấn tử ta có chấn tử

vòng dẹt (hình 5.9a)

Trang 6

b Tiếp điện cho chấn tử đối xứng bằng cáp đồng trục

Như trên đã khảo sát vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng cho chấn tử đối xứng bằng dây song hành Dây song hành là một loại fide đối xứng, vì vậy việc tiếp điện cho chấn tử không cần thiết bị chuyển đổi Tuy nhiên, khi tần số tăng thì hiệu ứng bức xạ của dây song hành cũng tăng, dẫn đến tổn hao năng lượng và méo dạng đồ thị phương hướng của chấn tử Vì vậy,

để tiếp điện cho chấn tử đối xứng ở dải sóng cực ngắn, người ta thường dùng cáp song hành (dâysong hành có vỏ bọc kim loại) hoặc dùng cáp đồng trục Hình 5.10 là sơ đồ mắc trực tiếp chấn

tử đối xứng và cáp đồng trục, không có thiết bị chuyển đổi

Trong trường hợp này, toàn bộ dòng I1chảy ở trong lõi của cáp được tiếp cho một nhánh chấn tử, còn dòng I2 chảy ở mặt trong của vỏ cáp sẽ phân nhánh thành dòng I2’ tiếp cho nhánh

Trang 7

thứ hai của chấn tử và dòng I2” chảy ra mặt ngoài của vỏ cáp Vì biên độ dòng I1và I2 giống nhau (|I1 |=|I2|) nên biên độ của dòng điện tiếp cho hai vế sẽ khác nhau nghĩa là không thực hiện được việc tiếp điện đối xứng cho chấn tử Trong khi đó dòng I2” chảy ở mặt ngoài của vỏ cáp sẽ trở thành nguồn bức xạ ký sinh không những gây hao phí năng lượng mà còn làm méo dạng đồ thị phương hướng của chấn tử

Để giảm bớt sự mất đối xứng khi tiếp điện cho chấn tử bằng cáp đồng trục, có thể mắc chấn tử với cáp theo sơ đồ phối hợp kiểu Γ (hình 5.11a) Nếu chấn tử có độ dài bằng nửa bước sóng thì điểm giữa O của chấn tử sẽ là điểm bụng dòng điện và nút điện áp, do đó nó có thể đượccoi là điểm gốc điện thế Vì vậy việc nối trực tiếp O với vỏ cáp tiếp điện sẽ không làm mất tính đối xứng của chấn tử Dây dẫn trong của cáp được nối với chấn tử ở điểm có trở kháng phù hợp với trở kháng sóng của fide Trong thực tế, để thuận tiện trong việc điều chỉnh phối hợp trở kháng giữa fide và chấn tử, có thể mắc thêm tụ điều chuẩn (hình vẽ 5.11b), song nó không đảm bảo việc tiếp điện đối xứng một cách hoàn hảo

Thông thường để tiếp điện đối xứng cho chấn tử bằng cáp đồng trục cần có thiết bị chuyển đổi mắc giữa fide và chấn tử Thiết bị chuyển đổi này được gọi là thiết bị biến đổi đối xứng Sơ đồ của bộ biến đổi được vẽ ở hình 5.12

Trang 8

Chương III Thiết kế, mô phỏng anten YAGI có 7 chấn tử, làm việc ở tần số F = 300 MHz ,

Zv = 75Ω, độ rộng đồ thị phương hướng = 25 độ.

I.Tính toán và mô phỏng

Chấn tử chủ động làm Anten là chấn tử nửa sóng Đối với Anten loại này,dòng trong chấn tử thụ động được cảm ứng do trường được tạo bởi chấn tử chủ động.Còn pha của dòng trong các chấn

tử thụ động có thể điều chỉnh được để đảm bảo nhận được sự bức xạ đơn hướng

Điều kiện để xảy ra phản xạ , dẫn xạ hoàn toàn là các phần tử phải có góc pha dòng điện bù trừ được cho góc pha khoảng cách dọc theo truc hệ thống

Như vậy ,ta có :

Emin=>0

Emax=>NE1

Chọn dòng trong thanh phản xạ nhanh pha hơn so với dòng trong thanh phát xạ thì độ dài của thanh phản xạ cần chọn lớn hơn độ dài thanh phát xạ (chấn tử 0)

Trang 9

oa=120(ln-1)Công thức trên được xác định trong trường hợp l <.

a:Đường kính của chấn tử

l: độ dài chấn tử, l=0.5

Độ dài cộng hưởng của chấn tử được xác định bằng phương trình:

Xtổng-oA cotg =0Với Xtổng=42,5 ( ôm)Mặt khác,thay lCH=0.5-l (-l là độ rút ngắn của chấn tử)

Trang 10

Zva= Rb: (sin(kl/2))^2 – i.Xva

Io=0.4516 + 0.3417i=0.57*(e^0.64j) ; Ip= 1.7942 - 0.9628i= 2.04*(e^(-0.49j))(A)

Ta tính được hàm phương hướng tổ hợp theo công thức:

Để thoả mãn điều kiện cực đại thì =0, Zp=-0.3(m)

 Fk ()= 0,28e^(-0.74j) +1;

và đồ thị phương hướng

Trang 11

Hình 1 Đồ thị phương hướng của anten chỉ có 2 chấn tử.

Trường hợp 2 Anten có 3 chấn tử

Lpx=0.57, dpx =0.3, ta cố định ldx=0.4 rồi quét giá trị của ddx1

Tại ddx1=0.13 thì chấn tử dẫn xạ 1 có trở kháng tương hỗ là :điện kháng a01= -4.7921(ôm) , điện trở r01= 42.2122(ôm) ;ap1=-30.4154 và rp1=-0.0019,.Trở kháng riêng của chấn tử phản xạ tính theocông thức:

Ta được Zp=76.57 +166j (ôm)

Trở kháng riêng của chấn tử dẫn xạ 1 là: Z1=80+ 94,17j ( ôm)

Giải ma trận trở kháng theo lập luận như trên :

Trang 12

Với n=1

và đồ thị phương hướng :

Hình 2 Đồ thị phương hướng của anten có 3 chấn tử

Lpx=0.57, dpx =0.3, ldx1=ldx2=0.4 ,ddx1=0.13 , ta quét các giá trị của ddx2

Tại ddx1=0.17 thì chấn tử dẫn xạ 2 có điện kháng ap2= -13.4114 (ôm) , điện trở rp2= -19.5917 (ôm) , a02= -23.3657(ôm), r02= 19.6057(ôm); a12= -9.6167 (ôm) , điện trở r12= 28.2174(ôm)Trở kháng riêng của chấn tử phản xạ tính theo công thức:

Ta được Zp=76.57 +166j (ôm)

Trang 13

Cũng theo lập luận như trường hợp có 2 chấn tử ta cũng tính được Ip, Io, I1, I1, I2 sau đó tính được hàm phương hướng tổng hợp

và đồ thị phương hướng:

Hình 3 Đồ thị phương hướng của anten có 4 chấn tử

Lpx=0.57, dpx =0.3, ldx1=ldx2= ldx3= ldx4= ldx5=0.4 ,ddx1=0.13 , ddx2=0.17, ddx3=0.21, ddx4=0.25, ddx5=0.29

và đồ thị phương hướng:

Trang 14

Hình 4 Đồ thị phương hướng của anten có 7 chấn tử.

Chương trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab

>> disp('Day la chuong trinh ve do thi buc xa cua anten Yagi 7 chan tu lam viec o f=300MHz Z(vao)=75 , 2 1/2 = 25 độ'); disp('GVHD: Ks.Nguyen Khuyen');

N=input('Nhap vao so chan tu dan xa: N=');

f=input('Nhap vao tan so trung binh cua anten theo MHz: f=');

dpx=input('Nhap vao khoang cach giua chan tu phat xa va chan tu phan xa(tinh bang met):dpx=');

ddx1=input('Nhap vao khoang cach giua chan tu phat xa va chan tu dan xa dau tien (tinh bang met): ddx1=');

ddx2=input('Nhap vao khoang cach giua chan tu dan xa dau va chan tu dan xa 2 (tinh bang met): ddx2=');

ddx3=input('Nhap vao khoang cach giua chan tu dan xa 2 va chan tu dan xa thu 3 (tinh bang met): ddx3=');

ddx4=input('Nhap vao khoang cach giua chan tu dan xa 3 va chan tu dan xa 4(tinh bang met): ddx4=');

Trang 15

ddx5=input('Nhap vao khoang cach giua chan tu dan xa 4 va chan tu dan xa 5 (tinh bang met): ddx5=');

title('Do thi buc xa trong mat phang E ') ;

Chương trình tính giá trị điện trở tương hỗ:

Trang 16

Chương trình tính giá trị điện kháng tương hỗ:

II Tính đặc trưng hướng

Anten Yagi có thế coi như một hệ tuyến tính gồm các nguồn rời rạc

Anten thường đặt ở độ cao bằng một số lần chiều dài bước sóng so với mặt đất hoặc mặt phản xạ Ánh hưởng của mặt phản xạ lên trường bức xạ của anten trong trường hợp này thường tác động lên đặc trưng hướng trong mặt phang đứng Trong trường hợp tống quát, đối với anten cấu tạo từ một số chấn tử khi tính đến ảnh hưởng của đất thì đặc trưng hướng của nó được xác định bằng công thức:

Trong đó:

Trong mặt phẳng E:

Trang 17

L: chiều dài anten

là pha của dòng trên các chấn tử giảm theo quy luật tuyến tính

Trang 18

( Khi mô phỏng ta có thể bỏ qua giá trị f3() này)

Thay các giá trị vào:

N=5;

dtb=0.223

k=2*fi/lamda=2*3.14/1=6.28; ta được: f1(θ,φ), f2(θ,φ), f3(θ,φ) ứng với các giá trị j từ 1 đến 5

Trang 19

Tính độ lợi của anten:

Dựa vào đồ thị ta xác đinh được A=4,5

Trang 20

III.Phối hợp trở kháng

Giả thiết anten chúng ta cần thiết kế có Zv=75Ω.Đối với anten YAGI việc phối hợp trở kháng phụ thuộc trực tiếp vào chấn tử phát xạ (chấn tử chủ động) do chấn tử này được nối trực tiếp với nguồn,các chấn tử còn lại đều là chấn tử thụ động.Để thuận lợi trong trường hợp này ta chọn cách phối hợp anten chữ U

Trên hình vẽ ta thấy từ điểm tiếp điện C đến (1) và (2) lệch nhau một đoạn =.Dòng điện tải (1),(2) ngược pha nhau thỏa mãn tính chất đối xứng pha.Biên độ I1 và I2 đều bằng nhau vì đều là dòng lõi

Trang 21

Hình 6.Phối hợp trở kháng cho anten chữ U

Chương III: Đưa ra những kết quả thu được.Đánh giá, so sánh các kết quả so với yêu cầu Nhận xét và thảo luật hướng phát triển đề tài

Nhận xét: Khi tăng N thì sự hướng tính của anten càng cao thể hiện ở đồ thị là độ rộng bức xạ chính càng hẹp Tuy nhiên điều này lại làm cho bức xạ phụ tăng lên

Tăng khoảng cách giữa chấn tử phản xạ với chấn tử chủ động và khoảng cách giữa các chấn tử dẫn xạ thì độ rộng bức xạ chính cũng giảm dần, và có nhiều hướng bức xạ phụ xuất hiện hơn Độrộng của bức xạ chính phụ thuộc nhiều vào khoảng cách giữa các chấn tử dẫn xạ với nhau và chấn tử chủ động Nó ít thay đổi hơn khi thay đổi khoảng cách giữa chấn tử phản xạ và chấn tử chủ động

Khi tần số thay đổi thì ít ảnh hưởng đến sự thay đổi của độ rộng đồ thị phương hướng

Kết luận:

Muốn làm cho búp sóng chính của đồ thị phương hướng giảm dần thì cần tăng 3 thông số N, d

và f bài toán đặt ra yêu cầu cố định N=5, f=300 Mhz, vì vậy cần phải tăng khoảng cách d Qua

đó ta rút ra được kết luận rằng: khi thiết kế một anten Yagi cụ thể, đểthu được dễ dàng các tín hiệu cần thiết, thì các thông số cấu tạo của anten phải được chọn trong một giới hạn cho phép như phần lý thuyết đã trình bày ở các phần trên

Trang 22

Tài liệu tham khảo:

1 “Anten và truyền sóng ” – GS.TSKH Phan Anh

2 “Trường điện từ và truyền sóng” - GS.TSKH Phan Anh

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	856,29 KB