thiết kế anten chấn tử đối xứng và yagi 4ghz bằng phần mềm CST

2.2. TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ ANTEN YAGIUDA 2.2.1. Yêu cầu thiết kế Thiết kế một anten Yagi có tần số 4Ghz với 1 chấn tử phản xạ, và 4 chấn tử dẫn xạ. 2.1.2. Các bước tính toán Bước sóng: λ= cf =3004000= 0.075 m Đường kính: D= λ60= 0.00125 m Chiều dài chấn tử chủ động: Lcd=0.48λ=0.480.075=0.036 m Khoảng cách giữa 2 chấn tử đối xứng G= λ15 = 0.005 m Chiều dài chấn tử phản xạ: Lpx> λ2 =0.0375 (ta chọn 0.039) Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với chấn sử phản xạ: S= λ4 = 0.0754= 0.01875 m Khoảng cách giữa các chấn tử dẫn sóng S1= S + 0.14 λ S2= S1+0.15 λ S3= S2+0.18 λ S4=S3+0.20 λ Chiều dài chấn tử: L1=0.9Lcd L2=0.9L1 L3=0.9L2 L4=0.9L3 Độ định hướng theo lý thuyết: D=3.28N=3.284=13.12 ( dBi ) 2.1.3. Bảng thông số tính toán STT Thông số Ký hiệu Giá trị 1 Tần số f 4Ghz 2 Bước sóng λ= cf 0.075 (m) 3 Đường kính D= λ60 0.00125 (m) 4 Chiều dài chấn tử phản xạ Lpx> λ2 0.0375 (m) Ta chọn 0.039 (m) 5 Chiều dài chấn tử chủ động Lcd=0.48λ 0.036 (m) 6 Gap G= λ15 0.005 (m) 7 Chiều dài chấn tử dẫn xạ 1 L1=0.9Lcd 0.0324 (m) 8 Chiều dài chấn tử dẫn xạ 2 L2=0.9L1 0.02916 (m) 9 Chiều dài chấn tử dẫn xạ 3 L3=0.9L2 0.026255 (m) 10 Chiều dài chấn tử dẫn xạ 4 L4=0.9L3 0.0236196 (m) 11 Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với chấn tử phản xạ S= λ4 0.01875 (m)

BÁO CÁO THỰC HÀNH Bài thực hành: Tính toán thiết kế và mô phỏng anten chấn tử đối xứng và anten Yagi.

PHẦN 1: LÝ THUYẾT

1.1 ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG

1.1.1 Phân bố dòng điện trên chấn tử đối xứng

Chấn tử đối xứng là loại anten đơn giản nhất và là mộttrong những nguồn bức xạ được sử dụng khá phổ biến Chấn tửđối xứng có thể sử dụng như một anten độc lập hoặc có thểđược sử dụng để cấu tạo các anten phức tạp khác Một trongnhững vấn đề cơ bản khi khảo sát các anten là xác định trườngbức xạ tạo ra trong không gian và các thông số của anten Nhưvậy cần biết phân bố dòng điện trên anten.Có thể sử dụng lýthuyết đường dây để xác định phân bố dòng điện trên chấn tửđối xứng dựa trên suy luận về sự tương tự giữa chấn tử đối xứng

và đường dây song hành hở mạch đầu cuối không tổn hao Mộtđường dây song hành hở mạch đầu cuối, nếu mở rộng hainhánh của đường dây ra 1800 ta sẽ được chấn tử đối xứng Việc

mở rộng này làm mất tính đối xứng của đường dây song hành

và làm cho sóng điện từ bức xạ ra không gian bên ngoài để tạothành anten

Giả sử khi biến dạng đường dây song hành thành chấn tửđối xứng thì quy luật phân bố dòng điện trên hai nhánh vẫnkhông thay đổi, nghĩa là vẫn có dạng sóng đứng:

I z  I k l  z

Hình 1.1 Sự tương quan giữa chấn tử đối xứng và đường dây

- Các thông số phân bố của đường dây không biến đổi dọctheo dây, còn các thông số phân bố của chấn tử thì biến đổiứng với các vị trí khác nhau trên chấn tử

- Đường dây song hành là hệ thống truyền dẫn năng lượngsóng điện từ, còn chấn tử là hệ thống bức xạ

- Trên đường dây song hành không tổn hao, hở mạch đầucuối, dòng điện chỉ biến đổi theo quy luật sóng đứng thuần túy,dạng sin, còn đối với chấn tử luôn có sự mất mát năng lượng do

l

z

a )

b )

bức xạ (mất mát hữu ích) Do đó nói một cách chính xác thìphân bố dòng điện trên chấn tử sẽ không theo quy luật sóngđứng hình sin Tuy nhiên với các chấn tử rất mảnh (đường kính

<< 0,01λ) khi tính trường ở khu xa dựa theo giả thiết phân bố) khi tính trường ở khu xa dựa theo giả thiết phân bốdòng điện hình sin cũng nhận được kết quả khá phù hợp vớithực nghiệm Vì vậy, trong phần lớn các tính toán kỹ thuật cóthể cho phép áp dụng giả thiết gần đúng về phân bố dòng điệnsóng đứng hình sin

Biết quy luật phân bố của dòng điện trên chấn tử sẽ xácđịnh được quy luật phân bố gần đúng của điện tích bằng cách

áp dụng phương trình bảo toàn điện tích Có thể giả thiết dòngđiện trên chấn tử chỉ có thành phần dọc Iz, điện tích nằm trên

bề mặt dây và có mật độ dài Qz Ta có phương trình bảo toànđiện tích có dạng

Trong đó Iz = 2πaJz : biên độ dòng điện tại tọa độ z của chấn tử

Jz mật độ dòng điện mặt

Qz điện tích mặt trên một đơn vị chiều dài chấn tử

Giải phương trình ta được:

Phân bố dòng điện và điện tích trên chấn tử đối xứng đượcchỉ trong hình vẽ

Hình 1.2 Phân bố dòng điện và điện tích trên trấn tử đối

xứng

1.1.2 Trường bức xạ của angten chấn tử đối xứng trong không gian tự do

1.1.2.1 Điều kiện xét

- Một chấn tử đối xứng có chiều dài 2l được đặt trong một

môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ (môitrường không gian tự do)

Xét trường bức xạ của chấn tử tại một điểm M, cách tâmchấn tử một khoảng r khá xa nguồn, ở hướng mà đường thẳngnối điểm M với tâm chấn tử hợp với trục chấn tử một góc θ

1.1.2.2 Tính cường độ trường

Chia chấn tử thành các đoạn dz vô cùng bé (dz<<), xéttrường do đoạn dz gây ra tại M.Vì dz << nên nó tương đươngnhư một dipol điện với dòng diện trên nó là Iz

Điện trường do toàn bộ chấn tử gây ra tại M:

0 0

os klcos oskl 60

1.1.3 Các tham số của chấn tử đối xứng

1.1.3.1 Hàm hướng tính và đồ thị phương hướng

- Hàm tính hướng biên độ của chấn tử đối xứng trong mặtphẳng E:

này chỉ phụ thuộc vào giá trị kl.

- Nói chung trong mặt phẳng H chấn tử bức xạ vô hướng.

Nếu mặt phẳng khảo sát đi qua tâm chấn tử thì trong mặtphẳng H ta có:

c F

* Chấn tử có chiều dài lớn hơn 

Trong trường hợp này do trên mỗi nhánh chấn tử xuất hiệndòng điện ngược pha nên ở hướng vuông góc không có sai pha

về đường đi của các đoạn dz nhưng về dòng điện có đoạnngược pha, do đó cường độ điện trường tổng ở hướng này sẽgiảm xuống, đồng thời xuất hiện các búp phụ ở các hướng cósai pha đường đi bù hết cho sai pha dòng điện Nếu đoạn dòng

điện ngược pha lớn dần, nghĩa là l tiến dần tới λ) khi tính trường ở khu xa dựa theo giả thiết phân bố, búp phụ sẽ lớn dần, búp chính nhỏ dần Khi l = λ, đoạn ngược pha trên mỗinhánh chấn tử là bằng nhau, bức xạ ở hướng chính (tức hướngvuông góc với trục chấn tử) sẽ bằng 0, bốn búp phụ trở thànhbốn búp chính

1.1.3.2 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hệ số tính hướng

Công suất bức xạ của chấn tử đối xứng có thể được xác định theo phương pháp vectơ Poyting, giống như khi tính toán cho dipol điện

1 1

A

L Z

C



Trong đó L1 điện cảm phân bố của đường dây, C1 điệndung phân bố của đường dây.

1 1

v

L C   Khi đó:

0 0 1

r

 

 Với :

D: khoảng cách giữa hai dây dẫn (tính từ trục dây)

R R

kl

Phần kháng của trở kháng vào của chấn tử đối xứng chính

là trở kháng của đường dây song hành hở mạch đầu cuối và được tính theo công thức:

1.1.3.5 Chiều dài hiệu dụng của chấn tử đối xứng

Chiều dài hiệu dụng là chiều dài của một chấn tử tương đương với chấn tử thật, có dòng điện phân bố đồng đều trên chấn tử và bằng dòng điện đầu vào của chấn tử thật

Cấu trúc của anten càng tốt nếu như chiều dài hiệu dụng của anten có giá trị gần bằng chiều dài thực của anten

Chiều dài hiệu dụng được xác định bằng công thức:

t2

Với chấn tử nửa sóng có chiều dài 2l = /2, do đó tg(kl/2)

= 1 và chiều dài hiệu dụng của chấntử sẽ là:

Nội dung của phương pháp ảnh gương: Khi tính trường bức

xạ tạo bởi chấn tử đặt trên mặt đất dẫn điện lý tưởng, tác dụngbức xạ của các dòng thứ cấp có thể được thay thế bởi tác dụngbức xạ của một chấn tử ảo, là ảnh của chấn tử thật qua mặtphân giới giữa hai môi trường, gọi là chấn tử ảnh

Khi chấn tử điện đặt song song với mặt đất thì dòng điệntrong chấn tử ảnh sẽ ngược pha với dòng điện của chấn tử thật,còn khi chấn tử điện đặt vuông góc với mặt đất thì dòng điện

trên hai chấn tử đồng pha Nếu chấn tử thật là chấn tử từ thì sẽ

có kết quả ngược lại

1.1.4).2 Bức xạ của chấn tử đối xứng đặt trên mặt đất

- Đồ thị phương hướng của chấn tử đối xứng đặt thẳng đứng trên mặt đất:

- Đồ thị phương hướng của chấn tử đối xứng đặt song songtrên mặt đất:

xạ thụ động và một số chấn tử dẫn xạ thụ động (là chấn tửkhông được cấp nguồn) Các chấn tử được gắn trực tiếp trênmột thanh đỡ thông thường là bằng kim loại, như chỉ ra trênhình Việc gắn trực tiếp các chấn tử lên thanh kim loại thực tếkhông ảnh hưởng gì đến các tham số của anten vì điểm giữacủa các chấn tử nửa sóng là nút của điện áp và các chấn tử đặtvuông góc với thanh kim loại nên không có dòng điện cảm ứngtrong thanh

Hình 2.1 Anten Yagi

Để tìm hiểu nguyên lý làm việc xét một anten yagi gồm 3chấn tử: chấn tử chủ động A, chấn tử phản xạ P và chấn tửhướng xạ D Chấn tử A được nối với máy phát cao tần và bức xạsóng điện từ, dưới tác dụng của trường bức xạ này trong P và Dxuất hiện dòng cảm ứng và sinh ra bức xạ thứ cấp

Nếu chọn độ dài của P và khoảng cách từ A đến P thíchhợp thì P sẽ trở thành chấn tử phản xạ của A Khi đó, nănglượng bức xạ của cặp chấn tử A - P sẽ giảm yếu về phía chấn tử

P (hướng -z) và được tăng cường ở hướng ngược lại (hướng + z).Tương tự, nếu chọn độ dài của chấn tử D và khoảng cách A đến

D thích hợp thì D sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ của A

Khi ấy, năng lượng bức xạ của hệ A - D sẽ hướng về chấn

tử D (hướng + z) và giảm yếu về hướng ngược lại (hướng -z).Kết quả năng lượng bức xạ của cả 3 chấn tử sẽ tập trung vềmột phía, hình thành một kênh dẫn sóng dọc theo trục anten,hướng từ phía chấn tử phản xạ P về phía chấn tử dẫn xạ D

Việc tính toán chính xác kích thước của các chấn tử phản

xạ và dẫn xạ là một bài toán phức tạp, thông thường nó đượctính toán theo thực nghiệm dựa trên những lý thuyết và kết quả

Quan hệ về dòng điện trong chấn tử chủ động I1 và chấn

tử thụ động I2 được biểu thị qua biểu thức:

Đối với số phần tử càng lớn thì khoảng cách càng lớn vàngược lại

2.1.1 Yêu cầu thiết kế

Thiết kế một anten chấn tử đối xứng có tần số f = 4 Ghz

2.1.2 Các bước tính toán, thiết kế trên lý thuyết

- Bước sóng:

λ=c f =4000300 = 0.075 (m)

- Chiều dài chấn tử:

2.1.2 Bảng thông số tính toán thiết kế

STT Thông số Kí hiệu Giá Trị

2.2 TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ ANTEN YAGI-UDA

2.2.1 Yêu cầu thiết kế

Thiết kế một anten Yagi có tần số 4Ghz với 1 chấn tử phản

xạ, và 4 chấn tử dẫn xạ

2.1.2 Các bước tính toán

- Bước sóng:

λ=c= 300 = 0.075 m

D= 60λ = 0.00125 m

- Chiều dài chấn tử chủ động:

Lcd=0.48*λ) khi tính trường ở khu xa dựa theo giả thiết phân bố=0.48*0.075=0.036 m

- Khoảng cách giữa 2 chấn tử đối xứng

- B1: Khởi động phần mềm CST STUDIO SUITE

- B2: Tạo một file mới thiết kế các thông số như bảng thông số trên

Ta thấy tần số trung tâm không đúng 4GHz

Băng thông dưới -10 dB là [3.1063 GHz -3.5826 Ghz] là không đạt yêu cầu

- Farfield với f= 4)GHz:

-> Nhận xét:

+ Độ định hướng: 2.13 dB là phù hợp với chấn tử đối xứng

3.1.2 Đối với anten Yagi-Uda

- Đồ thị suy hao tổng hợp phản hồi S1.1:

-> Nhận xét:

Băng thông dưới -10 db là không có

Tần số trung tâm không đúng 4 Ghz

- Đồ thị farfield f = 4)GHz

-> Nhận xét:

Ta thấy độ định hướng là 9.3 dBi khác xa so với lý thuyết

là 13.12 dBi

3.2 Cách khắc phục

3.2.1 Với anten chấn tử đối xứng

Để điều chỉnh về tần số trung tâm là 4GHz ta có thể sử dụng chức năng Optimizer của phần mềm mô phỏng:

Yêu cầu là cần phải có chiều dài chấn tử mà tần số trung tân nhỏ hơn 4Ghz và chiều dài chấn tử mà có tần số trung tâm lớn hơn 4GHz:

+ B1: Tìm chiều dài của chấn tử để đạt yêu cầu như trên.Với chiều dài L1 = 37.475 (mm) ta thấy tần số trung tâm

là 3.3146 GHz < 4GHz

Với chiều dài L2 = 27 (mm) ta thấy tần số trung tâm là 4.212GHz >4GHz

+ B2: Vào Home -> Optimizer -> Nhập thông số giá trị L1

và L2 vào 2 ô max và min của dòng L như hình:

+ B3: Chuyển sang Goals chọn Add new Goals, nhập thông số như hình sau đó nhấn Apply

+ B4: Chọn Start để chương trình tính toán chiều dài hợp

lý ứng với tần số trung tâm

-> Kết quả ta được chiều dài ứng với tần số trung tâm 4GHz là L= 29.3613 (mm)

Băng thông: [3.7723 dB – 4.2807 dB]

3.2.1 Với anten Yagi-Uda

- Tăng số lượng chấn tử dẫn xạ lên 10 và giảm kích thước

+ B1: Tìm chiều dài của chấn tử để đạt yêu cầu như trên.Với chiều dài L1 = 35 (mm) ta thấy tần số trung tâm là 3.56 GHz < 4GHz

Với chiều dài L2 = 29 (mm) ta thấy tần số trung tâm là 4.4GHz > 4GHz

+ B2: Vào Home -> Optimizer -> Nhập thông số giá trị L1

và L2 vào 2 ô max và min của dòng L như hình:

+ B3: Chuyển sang Goals chọn Add new Goals, nhập thông số như hình sau đó nhấn Apply

+ B4: Chọn Start để chương trình tính toán chiều dài hợp

lý ứng với tần số trung tâm

-> Kết quả ta được chiều dài ứng với tần số trung tâm 4GHz là L= 30.4902 (mm)

- Farfield f=4)GHz:

4 BÀN LUẬN, ĐÁNH GIÁ

4.1 So sánh kết quả với mô phỏng lý thuyết

- Độ lợi, độ định hướng đạt 10.5 dbi, nhỏ hơn so với tính

toán lý thuyết

- Sử dụng thông số tính toán trên lý thuyết thì ta thấy:+ Tần số trung tâm không đúng và nhỏ hơn tần số 4GHzrất nhiều

+ Độ lợi, độ định hướng kém

+ Phối hợp trở kháng kém

-> Anten với thông số tính toán ban đầu không đạt

4.2 Giải pháp khắc phục nhược điểm

- Để khắc phục nhược điểm của anten 4GHz trên, ta có

giải pháp khắc phục như sau:

+ Tăng số lượng chấn tử dẫn xạ từ 4 lên 10 chấn tử dẫn xạ+ Giảm chiều dài chấn tử phản xạ xuống còn 35mm

+ Tăng chiều dài chấn tử dẫn xạ từ 27.441 mm lên 30 mm

4.3 Chấn tử đối xứng có thêm mặt phẳng phản xạ

a) Có thêm mặt phẳng phản xạ vuông góc

- S1.1:

- farfield:

-> Nhận xét: Sau khi thêm mặt phẳng vuông góc với chấn

tử đổi xứng thì độ định hướng tăng lên 6.55 dbi, bức xạ hướng

về phía ngược lại với mặt phẳng

b) Có thêm mặt phẳng song song

- S1.1:

- farfield: