LỜI NÓI ĐẦUCHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĂNG TEN YAGI1.1Giới thiệu về anten Yagi1.2Cấu tạo và nguyên lý hoạt động1.3Hệ số sóng chậm1.4Đặc trưng hướng1.5Trở kháng vào của chấn tử chủ động1.6Hệ số định hướng1.7Dải thông của anten YagiCHƯƠNG II. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN YAGI Ở DẢI TẦN 430 MHZ2.1Tính toán các thông sô2.2Mô phỏng anten yagi với HFSs2.2.1Khởi tạo chương trình , tao project2.2.2Thiết lập các thông số cơ bản cho việc thiết kế.2.2.3Xuất kết quả mô phỏng:KẾT LUẬN
Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Mục lục Page Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông LỜI NÓI ĐẦU Ngày nhu cầu thông tin vô tuyến phát triển mạnh mẽ hầu hết 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 để thu phát tín hiệu Vì Anten phận thiếu thiết bị thu phát, truyền tin Nhất với công nghệ kết nối không dây phát triển mạnh anten có thay đổi linh hoạt phẩm chất, cấu trúc, kích thước…nhằm thoả mãn tối đa nhu cầu người sử dụng Gần đây, đặc biệt sau năm 2000, nhiều loại anten thiết kế thỏa mãn yêu cầu băng thông hệ thống truyền thông Trong khuôn khổ đề tài này, với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, nhóm em sâu vào tìm hiểu anten Yagi, thiết kê mô an ten Yagi hoạt động tần số 430MHz, với thông số kỹ thuật phù hợp phần mềm mô HFSS Nội dung báo cáo gồm chương: Chương I: Tổng quan anten Yagi Chương II: Tính toán thông số cần thiết,mô anten Yagi dải tần 430MHz Kết luận Page Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĂNG TEN YAGI 1.1 Giới thiệu anten Yagi Anten Yagi loại anten định hướng phổ biến chúng dễ chế tạo Các anten định hướng Yagi thường sử dụng khu vực khó phủ sóng hay nơi cần vùng bao phủ lớn vùng bao phủ anten omni-directional Anten Yagi hay gọi anten Yagi-Uda (do người Nhật Hidetsugu Yagi Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926) biết đến anten định hướng cao sử dụng truyền thông không dây Loại anten thường sử dụng cho mô hình điểm- điểm dùng mô hình điểm-đa điểm Anten Yagi-Uda xây dựng cách hình thành chuỗi tuyến tính anten dipole song song Anten Yagi dùng rộng rãi vô tuyến truyền hình, tuyến thông tin chuyển tiếp đài rada sóng mét Anten đươc dùng phổ biến nố có tính định hướng tương đối tốt mà kích thước trọng lượng không lớn lắm,cấu trúc lại đơn giản, dễ chế tạo 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Sơ đồ anten Yagi gồm : chấn tử chủ động (driven element) thường chấn tử nửa sóng, chấn tử phản xạ (reflector) số chấn tử dẫn xạ thụ động (directors) gắn trực tiếp với đỡ kim loại Nếu chấn tử chủ động trấn tử vòng dẹt gắn trực tiếp với đỡ kết cấu anten trở nên đơn giản Việc gắn trực tiếp chấn tử lên kim loại thực tế không ảnh hưởng đến phân bố dòng điện anten điểm chấn tử phù hợp với nút điện áp Việc sử dụng đỡ kim loại không ảnh hưởng đến xạ anten đặt vuông góc với chấn tử Để tìm hiểu nguyên lý làm việc anten ta xét anten Yagi đơn giản gồm chấn tử : chấn tử chủ động (A), hai chấn tử thụ động gồm: chấn tử phản xạ (P) chấn tử dẫn xạ (D) Chấn tử chủ động (A) nối với máy phát cao tần Dưới tác dụng trường xạ tạo A, P D xuất dòng cảm Page Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông ứng chấn tử trở thành nguồn xạ thứ cấp Như biết, chọn độ dài P khoảng cách từ A đến P cách thích hợp P trở thành trấn tử phản xạ A Khi lượng xạ cặp A – P giảm yếu phía chấn tử phản xạ tăng cường theo hướng ngược lại (hướng +z) Tương tự vậy, chọn độ dài D khoảng cách từ D đến A cách thích hợp D trở thành chấn tử dẫn xạ A Khi ấy, lượng xạ hệ A – D tập trung phía chấn tử dẫn xạ giảm theo hướng ngược lại (hướng –z) kết lượng xạ hệ tập trung phía, hình thành kinh dẫn sóng dọc theo trục anten, hướng từ phía chấn tử phản xạ phía chấn tử dẫn xạ Theo lý thuyết chấn tử ghép, dòng điện chấn tử chủ động (I1) dòng điện chấn tử thụ động (I2) có quan hệ với biểu thức: I2 = aeiϕ I1 a= Với (1.1) 2 2 ( R12 + X 12 )( R22 + X 22 ) ϕ = π + arctg ( X 12 X ) − arctg ( 22 ) R12 R22 Bằng cách thay đổi độ dài chấn tử thụ động, biến đổi độ lớn dấu điện kháng riêng X 22 biến đổi a ϕ Hình 2.2 biểu thị quan hệ với X 22 trường hơp chấn tử có độ dài xấp xỉ nửa bước sóng ứng với khoảng cách d = Page λ Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Hình 1.2-1 Sự phụ thuộc với X22 Càng tăng khoảng cách d biên độ dòng chấn tử thụ động giảm Tính toán cho thấy với d ≈ (0,1 ÷ 0,25) λ điện kháng chấn tử thụ động mang tính cảm kháng nhận I2 sớm pha so với I1 Trong trường hợp chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ Ngược lại điện kháng chấn tử thụ động mang tính dung kháng dòng I2 chậm pha so với I1 chấn tử th ụ động trở thành chấn tử dẫn xạ Hình 1.2- - Phương hướng cặp chấn tử chủ động thụ động Page Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Hình vẽ đồ thị phương hướng cặp chấn tử chủ động thụ động d = 0,1 λ arctg ứng với trường hợp khác arctg X 22 >0 R22 X 22 R22 Từ hình vẽ ta thấy : Khi Thì chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ arctg Còn X 22 0, độ dài chấn tử nhỏ độ dài cộng hưởng có X 221 v Giả thiết dòng chấn tử có biên độ lệch pha ∆ ψ Nếu d khoảng cách giữ hai chấn tử hệ số pha sóng chậm xác γ= định bởi: ∆ψ d ξ= Ta có hệ số sóng chậm : c γ ∆ψ = = v k kd ξ Hệ số sóng chậm d phụ thuộc vào độ dài l chấn tử khoảng cách ξ chúng Bảng 2.1 dẫn giá trị hệ số sóng chậm d l khác chấn tử, tính theo ba thông số Bảng 2.1 Hệ số sóng chậm ξ Page ứng với độ dài bán kính chấn tử a = 0, 01 l Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Qua phân tích xác nhận kết cấu có độ dài hữu hạn xuất sóng phản xạ đầu cuối, với hệ số phản xạ theo công suất không 15% Do phản xạ không đáng kể nên coi gần kết cấu hữu hạn gồm chấn tử dẫn xạ có độ dài đặt cách tương đương với hệ thống thẳng liên tục, xạ trục Hệ số chậm sóng hệ thống xác định theo bảng 2.1 Với độ dài anten L = Nd biết, xác định hệ số chậm tốt λ0 (ứng với bước sóng công tác trung bình ξ opt = + ) theo công thức: λ0 2L (2.2) Sau đó, áp dụng công thức lý thuyết anten sóng chậm tính phụ thuộc hệ số định hướng với tần số xác định dải thông tần hệ số định hướng biến đổi không dB Page ∆f f0 mà Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Ta khảo sát ví dụ: Giả sử cần thực anten dẫn xạ để làm việc dải tần 200 ÷ 10MHz, độ dài anten cho trước 3m, cho nhận hệ số định hướng cực đại số phần tử anten L / λ0 Trường hợp này, độ dài anten = dải thông tần yêu cầu d / l = 0,5 10% Ta cần chọn thông số để nhận hệ số định hướng gần 12dB Đồng thời, với độ dài anten cho tính hệ số sóng chậm tốt ξ opt = 1, 25 Từ bảng 2.1 xác định độ dài chấn tử ) Từ suy l = d = 0, 22.λ0 kl = 1,3 ( ứng với 2d =1 l số chấn tử anten 10 ( có chấn tử phản xạ, chấn tử chủ động chấn tử dẫn xạ ) 1.4 Đặc trưng hướng Hình 1.4- - Mô hình anten Yagi Ta chọn mô hình anten Yagi (như hình ) tập hợp chấn tử nửa sóng giống nhau, chấn tử chủ động A đặt gốc tọa độ Vị trí chấn tử thụ 1, N động trục z đặc trưng tọa độ z n, với n = dẫn xạ) tọa độ zp chấn tử phản xạ Page 10 ( N số chấn tử Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2.2.3.4 Chấn tử L4 L4= 174mm Tương tự ta điều chỉnh thông số chấn tử L4 cho phù hợp: Page 25 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Page 26 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2.2.3.5 Chấn tử L5 L5=160mm Tương tự ta điều chỉnh thông số chấn tử L5 cho phù hợp: Các chấn tử thiết kế từ chất liệu nhôm Ta lựa chọn chất liệu để thiết kế chấn tử sau Kích đúp vào tên chấn tử project xuất bảng: Trong mục: Material=> chọn “pec”_Nhôm Hình ảnh sau thiết kế xong chấn tử anten: Page 27 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2.2.4 Phần tử tiếp điện Chọn Draw =>Rectangle => xuất bảng: 2.2.2.5 Tiếp điện Kích phải chuột vào phần tử tiếp điện Chọn Assign Exitation => Lumped Pert xuất bảng Page 28 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Chọn Next=> xuất bảng=> chọn newline =>ok Ta kéo dây nối bên chấn tử xạ lại=> xuất bảng => nhập điện trở tiếp điện 75 ohm =>Finish 2.2.2.6 Tạo không gian xạ Vẽ khối hộp : Draw =>box => chọn vật liệu air; Page 29 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Thông số cho không gian xạ: Sau vẽ không gian xạ: Chuột phải vào khung =>Select Face=> chọn mặt khối không gian xạ Kích phải khối=>Assign Boundary =>Radiotion Giới hạn vùng xạ: Chọn HFSS=>Radiation =>insertFar Field Setup =>infinite Sphere Page 30 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Trong tab Infinite Sphere giống bảng: Page 31 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2.2.7 Thiết lập tần số hoạt động cho anten Chọn HFSS => Analys Setup => chọn Add Solution Setup => xuất bảng: Page 32 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Ta điều chỉnh thông số hình vẽ: Sau ta tiếp tục chọn: Chọn HFSS => Analys Setup =>Add Frequency Sweep Xuất bảng=> ta lựa chọn thông số tương ứng: Page 33 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Chọn ok; Page 34 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Hình ảnh sau thiết kế: Page 35 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2.3 Xuất kết mô phỏng: 2.2.3.1 Đồ thị S(1,1) HFSS=>Result=>Create Modal Solution Data Report=>Rectangular Plot =>New Report=> Close Xuất bảng: chọn new Report => chọn Close Đồ thị S(1,1): Tần số cộng hưởng fch= 430MHz Page 36 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2.3.2 Đồ thị 3D Gain Xuất đồ thị 3D Gain: HFSS=>Result=>Create far field Report=>3D Polar Plot =>chọn Gain=> New Report=> Close Đồ thị Gain 3D 2.2.3.3 Đồ thi Smith HFSS=>Result=>Create Modal Solution Data Report=>Smith chart =>New Report=> Close Page 37 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian dài tìm hiểu phân tích thiết kế, nhóm chúng em tính toán mà mô thành công antenYagi tần số 430MHz phần mềm HFSS Anten mô thỏa mãn thông số yêu cầu đề độ tăng ích lớn, tính định hướng cao Đối chiều với lý thuyết thu kết trùng khớp như: Fch= 430 MHz, Đồ thị xạ, độ tăng ích, đồ thị smith hướng xạ anten dọc theo trục an ten hướng phía chấn tử dẫn xạ đồng thời toàn lượng xạ phía trục âm bị chấn tử phản xạ chặn gần hoàn toàn Qua trình nghiên cứu thiết kế, chúng em rút nhiều kinh nghiệm cho thân, đồng thời hiểu anten yaghi công đọan để thiết kế anten hoàn chỉnh Đồng thời qua việc thực đề tài, chúng em hiểu ứng dụng anten Yaghi tương ứng với dải tần thực tế đặc biệt kĩ vận dụng lý thuyết học để xây dựng mô hình , sản phẩm thực tế Em xin chân thành cảm ơn thầy dạy hướng dẫn chúng em tận tình thời gian chúng em tìm hiểu, phân tích hoàn thiện đề tài Page 38 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Trên báo cáo chúng em, nhiều thiếu sót nỗ lực thân Rất mong quan tâm góp ý thầy giáo Em xin chân thành cảm ơn ! Page 39 [...]... của chấn tử nửa sóng (nghĩa là của một phần tử anten) Cũng có thể tính theo công thức: , L - độ dài anten ( 2.8 ) Hệ số A phụ thuộc vào tỷ số L λ được biểu thị trên hình sau: Hình 1.6- 5- Sự phụ thuộc của hệ số A vào L λ 1.7 Dải thông của anten Yagi Các anten Yagi phản ứng rất nhạy đối với sự biến đổi của tần số vì nó bao gồm các yếu tố cộng hưởng Do đó anten Yagi có dải thông hẹp người ta xác định... Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2 Mô phỏng anten yagi với HFSS Các bước và thao tác thực hiện: 2.2.1 Khởi tạo chương trình , tao project - Khởi động chương trình: Program => Ansoft => HFSS => HFSS - Tạo project mới: File=> new một project được tạo tự động Kick phải chuột vào project=>insert=>Insert HFSS Design ta được như hình vẽ: Page 16 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2.2 Thiết lập... với trở vào của anten mạnh hơn nhiều đối với tác dụng của thanh dẫn xạ, vì thế nên dùng thanh phản xạ có dải thông rộng Thông thường để mở rộng dải thông thường dùng thanh phản xạ là chấn tử vòng dẹt hoặc tốt hơn là trấn tử vòng dẹt kép, ngoài ra các thanh phản xạ này được cấp nguồn Page 13 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN YAGI Ở DẢI TẦN... cho việc thiết kế -Chọn Modeler=>Units=>chọn mm - HFSS= >Solution Type => xuất hiện bảng như hình vẽ Chọn Driven Modal đối với dải tần thấp Thiết kế các thành phần của anten Sau khi đã có số liệu các thành phần anten ta tiến hành thiết kế Chọn HFSS= > chọn Design Properties xuất hiện 1 bảng để add các đối tượng cần Design Page 17 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Ta add các đối tượng với các... hệ thống viễn thông Chọn ok; Page 34 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Hình ảnh sau khi thiết kế: Page 35 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2.3 Xuất kết quả mô phỏng: 2.2.3.1 Đồ thị S(1,1) HFSS= >Result=>Create Modal Solution Data Report=>Rectangular Plot =>New Report=> Close Xuất hiện 1 bảng: chọn new Report => chọn Close Đồ thị S(1,1): Tần số cộng hưởng fch= 430MHz Page 36 ... tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2.2.7 Thiết lập tần số hoạt động cho anten Chọn HFSS => Analys Setup => chọn Add Solution Setup => xuất hiện 1 bảng: Page 32 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Ta điều chỉnh các thông số như hình vẽ: Sau đó ta tiếp tục chọn: Chọn HFSS => Analys Setup =>Add Frequency Sweep Xuất hiện 1 bảng=> ta lựa chọn các thông số tương ứng: Page 33 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ... Trong đó Rpp, RAA, R11, R22, …,RNN là phần thực của trở kháng riêng của chấn tử phản xạ, chấn tử chủ động và các chấn tử dẫn xạ Các trở kháng tương hỗ Z pA=ZAp, Zp1=Z1p, ZA1=Z1A, …,Znk=Zkn có thể được xác định theo công thức của lý thuyết anten ( phương pháp sức điện động cảm ứng) hoặc tính theo các bảng cho sẵn Các đại lượng Xp, XA, X1, X2, …,XN là điện kháng toàn phần của chấn tử phản xạ, chấn tử chủ... thông CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN YAGI Ở DẢI TẦN 430 MHZ 2.1 Tính toán các thông sô Thiết kế một Yagi antenna, nhỏ gọn, hoạt động ở dải tần 430MHz được ứng dụng trong thu phát truyền hình Từ dải tần trung bình ta tính được tần số trung tâm và bước sóng là: λ = = 697mm (3.1) Ta chọn mô hình anten cần thiết kế với các thông số được chọn như sau: • N=5 là số chấn tử dẫn xạ, (N= 1,2,…,5... Material=> chọn “pec”_Nhôm Hình ảnh sau khi thiết kế xong những chấn tử của anten: Page 27 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông 2.2.2.4 Phần tử tiếp điện Chọn Draw =>Rectangle => xuất hiện bảng: 2.2.2.5 Tiếp điện Kích phải chuột vào phần tử tiếp điện Chọn Assign Exitation => Lumped Pert xuất hiện bảng Page 28 Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Chọn Next=> xuất hiện bảng=> chọn newline =>ok... trục anten và hướng của điểm khảo sát Page 11 (2.4) Báo cáo Bài tập lớn Môn hệ thống viễn thông Hình 1.4-4 - Góc θ trong mặt phẳng H và mặt phẳng E Đối với mặt phẳng H thì (2.4) cũng chính là hàm phương hướng của cả hệ còn đối với mặt phẳng E thì hàm phương hướng của hệ sẽ bằng tích của hàm tổ hợp (2.4) với hàm phương hướng riêng của chấn tử: π cos sin θ ÷ 2 f1 (θ ) = cos θ (2.5) 1.5 Trở kháng