Môn học: Anten và Truyền sóng Giảng viên: Nguyễn Thanh Hãi Ho Chi Minh City, ngày 29 tháng 7 năm 2021 Mục lục Phần 1: Giới thiệu về anten Yagi – Uda 1 Phần 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 2 1. Cấu tạo 2 2. Nguyên lý hoạt động 2 Phần 3: Các tham số cơ bản của anten Yagi – Uda 6 1. Hệ số sóng chậm 6 2. Đặc trưng hướng 8 3. Trở kháng vào của chấn tử chủ động 10 4. Hệ số định hướng 10 5. Dải thông của anten Yagi 11 Phần 4: Đặc tính bức xạ 12 1. Độ lợi (Gain) và hệ số chùm tia (beamwidth factors) 12 2. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ lợi 13 3. Tỉ lệ Front to Back của anten Yagi 14 Phần 5: Ưu điểm và nhược điểm của anten Yagi – Uda so với các anten khác 14 Phần 6: Ứng dụng 15 Phần 7: Mô phỏng anten Yagi – Uda với Matlab và HFSS: 16 1. Matlab: 16 2. HFSS: 19 Tài liệu tham khảo (References) 22 Mục lục hình ảnh Hình 1: Anten Yagi Uda 1 Hình 2: Cấu tạo của Anten Yagi Uda 2 Hình 3: Nguyên lí hoạt động của Anten Yagi Uda 3 Hình 4: Mô hình anten Yagi 8 Hình 5: Góc θ trong mặt phẳng H và mặt phẳng E 10 Hình 6: Sự phụ thuộc của hệ số A vào 11 Hình 7: Độ lợi của Anten Yagi 12 Hình 8: Bảng độ lợi của Anten dựa vào các chấn tử 13 Hình 9: Mô phỏng Anten Yagi – Uda 17 Hình 10: Mô hình năng lượng bức xạ Anten YagiUda 17 Hình 11: Mô hình năng lượng bức xạ Anten YagiUda theo độ cao (Elevation) 18 Hình 12: Mô hình năng lượng bức xạ Anten YagiUda theo phương vị (Azimuth) 18 Hình 13: Mô hình bức xạ Anten YagiUda 19 Hình 14: Anten YagiUda thiết kế trên HFSS 19 Hình 15: Mô phỏng năng lượng bức xạ 3D 20 Hình 16: Mô phỏng vùng bức xạ 3D 20 Hình 17: Mô phỏng 2D 21 Phần 1: Giới thiệu về anten Yagi – Uda Anten Yagi Uda là loại anten định hướng rất phổ biến bởi vì chúng dễ chế tạo. Các anten định hướng như Yagi thường sử dụng trong những khu vực khó phủ sóng hay ở những nơi cần vùng bao phủ lớn hơn vùng bao phủ của anten omnidirectional. Anten YagiUda (do 2 người Nhật là Hidetsugu Yagi và Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926 thuộc Đại học Hoàng gia Tohoku, Nhật Bản) được biết đến như là một anten định hướng cao được sử dụng trong truyền thông không dây. Loại anten này thường được sử dụng cho mô hình điểm điểm và đôi khi cũng dùng trong mô hình điểmđa điểm. Anten YagiUda được xây dựng bằng cách hình thành một chuỗi tuyến tính các anten dipole song song nhau. Anten Yagi Uda được dùng rộng rãi trong vô tuyến truyền hình, trong các tuyến thông tin chuyển tiếp và trong các đài rada sóng mét. Anten này đươc dùng phổ biến như thế vì nố có tính định hướng tương đối tốt mà kích thước và trọng lượng không lớn lắm, cấu trúc lại đơn giản, dễ chế tạo. Hình 1: Anten Yagi Uda Phần 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 1. Cấu tạo Anten Yagi Uda gồm: một chấn tử chủ động (driven element) thường là chấn tử nửa sóng, một chấn tử phản xạ (reflector) và một số chấn tử dẫn xạ thụ động (directors) được gắn trực tiếp với thanh đỡ kim loại. Nếu chấn tử chủ động là trấn tử vòng dẹt thì nó cũng có thể gắn trực tiếp với thanh đỡ và kết cấu anten sẽ trở nên đơn giản. Việc gắn trực tiếp các chấn tử lên thanh kim loại thực tế sẽ không ảnh hưởng gì đến phân bố dòng điện trên anten vì điểm giữa các chấn tử cũng phù hợp với nút của điện áp. Việc sử dụng thanh đỡ bằng kim loại cũng không ảnh hưởng gì đến bức xạ của anten vì nó được đặt vuông góc với các chấn tử. Hình 2: Cấu tạo của Anten Yagi Uda 2. Nguyên lý hoạt động Xét một anten Yagi Uda đơn giản gồm 3 chấn tử: một chấn tử chủ động (DE), hai chấn tử thụ động gồm: chấn tử phản xạ (R) và chấn tử dẫn xạ (D). Chấn tử chủ động (DE) được nối với máy phát cao tần. Dưới tác dụng của trường bức xạ tạo bởi DE, trong R và
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG CHUN NGÀNH MẠNG VIỄN THƠNG Mơn học: Anten Truyền sóng Giảng viên: Nguyễn Thanh Hãi Ho Chi Minh City, ngày 29 tháng năm 2021 Mục lục Phần 1: Giới thiệu anten Yagi – Uda Phần 2: Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cấu tạo 2 Nguyên lý hoạt động .2 Phần 3: Các tham số anten Yagi – Uda .6 Hệ số sóng chậm Đặc trưng hướng Trở kháng vào chấn tử chủ động 10 Hệ số định hướng 10 Dải thông anten Yagi 11 Phần 4: Đặc tính xạ .12 Độ lợi (Gain) hệ số chùm tia (beamwidth factors) 12 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ lợi 13 Tỉ lệ Front to Back anten Yagi .14 Phần 5: Ưu điểm nhược điểm anten Yagi – Uda so với anten khác .14 Phần 6: Ứng dụng 15 Phần 7: Mô anten Yagi – Uda với Matlab HFSS: .16 Matlab: .16 HFSS: 19 Tài liệu tham khảo (References) 22 Mục lục hình ản Hình 1: Anten Yagi - Uda Hình 2: Cấu tạo Anten Yagi - Uda .2 Hình 3: Ngun lí hoạt động Anten Yagi - Uda Hình 4: Mơ hình anten Yagi .8 Hình 5: Góc θ mặt phẳng H mặt phẳng E 10 L Hình 6: Sự phụ thuộc hệ số A vào 11 Hình 7: Độ lợi Anten Yagi .12 Hình 8: Bảng độ lợi Anten dựa vào chấn tử .13 Hình 9: Mơ Anten Yagi – Uda 17 Hình 10: Mơ hình lượng xạ Anten Yagi-Uda 17 Hình 11: Mơ hình lượng xạ Anten Yagi-Uda theo độ cao (Elevation) 18 Hình 12: Mơ hình lượng xạ Anten Yagi-Uda theo phương vị (Azimuth) 18 Hình 13: Mơ hình xạ Anten Yagi-Uda 19 Hình 14: Anten Yagi-Uda thiết kế HFSS 19 Hình 15: Mơ lượng xạ 3D 20 Hình 16: Mơ vùng xạ 3D 20 Hình 17: Mô 2D 21 Phần 1: Giới thiệu anten Yagi – Uda Anten Yagi - Uda 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-Uda (do người Nhật Hidetsugu Yagi Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926 thuộc Đại học Hoàng gia Tohoku, Nhật Bản) biết đến anten định hướng cao sử dụng truyền thông không dây Loại anten thường sử dụng cho mơ hình điểm- điểm đơi dùng mơ hình điểm-đa điểm Anten YagiUda xây dựng cách hình thành chuỗi tuyến tính anten dipole song song Anten Yagi - Uda dùng rộng rãi vô tuyến truyền hình, tuyến thơng 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 Hình 1: Anten Yagi - Uda Phần 2: Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cấu tạo Anten Yagi - Uda 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 vịng 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 dịng điện anten điểm chấn tử phù hợp với nút điện áp Việc sử dụng đỡ kim loại khơng ảnh hưởng đến xạ anten đặt vng góc với chấn tử Hình 2: Cấu tạo Anten Yagi - Uda Nguyên lý hoạt động Xét anten Yagi - Uda đơn giản gồm chấn tử: chấn tử chủ động (DE), hai chấn tử thụ động gồm: chấn tử phản xạ (R) chấn tử dẫn xạ (D) Chấn tử chủ động (DE) nối với máy phát cao tần Dưới tác dụng trường xạ tạo DE, R D xuất dòng cảm ứng chấn tử trở thành nguồn xạ thứ cấp Nếu chọn độ dài R khoảng cách từ DE đến R cách thích hợp R trở thành chấn tử phản xạ DE Khi lượng xạ cặp DE – R 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 DE cách thích hợp D trở thành chấn tử dẫn xạ DE Khi ấy, lượng xạ hệ DE – D tập trung phía chấn tử dẫn xạ giảm theo hướng ngược lại (hướng –z) Kết lượng xạ hệ tập trung phía, hình thành kênh dẫn sóng dọc theo trục anten, hướng từ phía chấn tử phản xạ phía chấn tử dẫn xạ Hình 3: Ngun lí hoạt động Anten Yagi - Uda 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 aei I1 a Với 2 2 ( R12 X 12 )( R22 X 22 ) arctg ( X 12 X ) arctg ( 22 ) R12 R22 a: tỷ số biên độ dòng điện chấn tử chấn tử : góc sai pha dịng điện chấn tử so với chấn tử Chấn tử chủ động: nối trực tiếp với nguồn tự xạ sóng điện từ Chấn tử thụ động: khơng cấp nguồn, hoạt động dựa nguyên tắc cảm ứng điện từ, trờ thành nguồn xạ thứ cấp R: điện trở xạ X: điện kháng riêng Bằng cách thay đổi độ dài chấn tử thụ động, biến đổi độ lớn dấu điện kháng riêng X22 biến đổi a Càng tăng khoảng cách d biên độ dịng chấn tử thụ động giảm Tính tốn cho thấy với d � (0,1 �0,25) 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 dịng I2 chậm pha so với I1 chấn tử th ụ động trở thành chấn tử dẫn xạ arctg Khi X 22 0 R22 Thì chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ arctg Cịn X 22 0 R22 Thì chấn tử thụ động trở thành chấn tử dẫn xạ Trong thực tế việc thay đổi điện kháng X 22 chấn tử thụ động thực cách thay đổi độ dài chấn tử: độ dài chấn tử lớn độ dài cộng hưởng có X22>0, cịn độ dài chấn tử nhỏ độ dài cộng hưởng có X 22