Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế anten Yagi 7 chấn tử Bài tập lớn môn Anten và truyền sóng Viện Điện tử truyền thông Đại học Bách Khoa Hà Nội Design Yagi antenna 7 element
Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 1 MỤC LỤC Mục lục…………………………………………………………….…… 1 Lời nói đầu……………………………………………………………… 2 Phần 1: Cơ sở lý thuyết anten Yagi……………………………… …… 3 I. Cấu trúc anten Yagi………………………………… ……… 3 II. Vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng……………….……… 5 Phần 2: Thiết kế anten…………………………………………… …… 6 a. Tính toán kĩ thuật…………………………………………….…… 6 b. Đặt trưng hướng……………………………….…………….…… 12 Phần 3: Mô phỏng………………………………………….……….…… 15 1. Chương trình mô phỏng……………………… …………….…… 15 2. Đồ thị bức xạ…………………………………….………… …… 27 Kết luận………………………………………………… ……… …… 18 Tài liệu tham khảo………………………………….………….…… …. 19 Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 2 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con người ngày càng cao và thật sự cần thiết. Việc sử dụng các hệ thống phát, thu vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của con người ở các khoảng cách xa một cách nhanh chóng và chính xác. Bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng Anten để phát hoặc thu tín hiệu. Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp nhiều hệ thống Anten như: hệ thống Anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTS dùng cho các mạng điện thoại di dộng. Hay những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại di động, radio … cũng đều sử dụng Anten. Qua việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật Anten sẽ giúp ta nắm được các cơ sở lý thuyết Anten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số cơ bản của các loại Anten thường dùng. Đó là lý do nhóm chúng em chọn đề tài “ Thiết kế Anten Yagi”. Mục đích của đề tài là tìm hiểu về lý thuyết Anten, phương pháp tính và thiết kế Anten Yagi để thu được sóng ở dải sóng ngắn một cách tối ưu nhất. Như vậy giới hạn của đề tài chỉ trong phạm vi hẹp là nghiên cứu Anten Yagi và các phần lý thuyết có liên quan. Tuy nhiên đây là cơ sở rất quan trọng để có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển kỹ thuật Anten. Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 3 Phần 1: Cơ sở lý thuyết Anten Yagi I. Cấu trúc của Anten Yagi Hình 1.1: Mô hình Anten Yagi Cấu tạo: Gồm 3 phần Phần tử phản xạ: l px > λ/2 (1 hay nhiều chấn tử, có thể là 1 mặt) Phần tử nguồn: 1 chấn tử cộng hưởng l nguồn hay l cđ , l ch có độ dài xấp xỉ λ/2 ( Z 0A =75Ω nên dùng chấn tử đơn) Phần tử phản xạ: 1 hoặc nhiều chấn tử l dx < λ/2 được sắp xếp trên đường thẳng sao cho dẫn tử trước là phản xạ của chấn tử sau, chấn tử sau là dẫn xạ của chấn tử trước. - Đồng thời: l dx1 > l dx2 > l dx3 > …>l dxN thì d dx = const hoặc d dx1 <d dx2 <d dx3 < … < d dxN thì l dx = const Nguyên lí làm việc: Anten Yagi là hệ thống bức xạ thẳng có góc pha biến đổi Điều chỉnh tốt: ζ = 1 ; D max = ND 1 , cos Luôn luôn bức xạ dọc theo trục hệ thống và về phía chấn tử chậm pha (chấn tử ngắn) do chấn tử nguồn A bức xạ được chấn tử phản xạ P phản xạ ngược Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 4 trở lại, đồng thời chấn tử dẫn xạ hướng bức xạ theo chiều dương trục z. Vì vậy, đồ thị phương hướng có búp chính về hướng +z. Khi số chấn tử dẫn xạ tăng lên thì L = Nd tăng lên D max tăng lên 2 giảm xuống dải thông giảm xuống Từ đó ta thấy D ảnh hưởng bởi: o Số chấn tử dẫn xạ N o Độ dài hệ thống L o Chủ yếu là 4-5 chấn tử đầu: phản xạ - nguồn – dẫn xạ 1 – dẫn xạ 2 – dẫn xạ 3 (các chấn tử còn lại đảm bảo định hướng bức xạ - đảm bảo ζ = 1 ) - Anten, hướng từ chấn tử phản xạ về phía chấn tử dẫn xạ. Theo lý thuyết chấn tử ghép, dòng điện trong chấn tử chủ động (I1) và dòng điện trong chấn tử thụ động (I2) có quan hệ dòng với nhau bởi biểu thức: 1 2 exp( ). I ai I 12 22 12 22 arctan( ) arctan( ) XX RR Bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử thụ động, có thể biến đổi độ lớn và dấu của điện kháng riêng X22, do đó sẽ biến đổi được a và iΨ. Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 5 II, Vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng - Anten chúng ta cần thiết kế có Z v =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 I 1 và I 2 đều bằng nhau vì đều là dòng lõi. Trở kháng: Điểm O nằm trên mặt đẳng thế của vỏ cáp: Mặt khác: . => Khảo sát Z v từ C-(1):l 2 =l 1 + .Khi đó một đoạn l= ta có Z v =Z t không phụ thuộc vào Z 0. Đối chiếu đường dây tiếp điện 75 Ω Có phối hợp trở kháng. Phối hợp trở kháng cho anten chữ U Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 6 Phần 2: Thiết kế Anten Yêu cầu thiết kế Anten: Thiết kế anten YAGI 7 chấn tử làm việc ở f=300MHz Zv 75 v có độ rông đồ thị phương hướng Ta có sơ đồ anten như hình vẽ : a. Tính toán thông số kĩ thuật - Với f = 300MHz ta tính được 6 8 300 10 1( ) 3.10 c m f - Với góc bức xạ nửa công suất (góc -3dB) nhỏ thế này thì góc bức xạ không (góc 1dB) cũng sẽ nhỏ, búp sóng chính hẹp vì thế hệ số định hướng sẽ lớn. Hệ số định hướng được tính theo công thức: Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 7 Gọi chiều dài chấn tử chủ động là Gọi chiều dài chấn tử phản xạ là Gọi chiều dài chấn tử dẫn xạ là: Theo lý thuyết đường dây song hành hở mạch thì X v = A cotg Từ thực nghiệm, l=0.5 không phải là độ dài cộng hưởng vì khi l=0.5 có Xv=42.5 Ohm. Ta sẽ đi tính toán độ dài cộng hưởng của chấn tử (Xv=0).Ta có: là trở kháng sóng của anten Công thức trên được xác đinh trong trường hợp Áp dụng vào bài toán, giả thiết anten được cấu tạo từ những chấn tử có đường kính như nhau : thì xác định được : Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 8 Thay vào biểu thức tính ta tính được : Vậy chiều dài của chấn tử chủ động là: Note: Để tính toán được trở kháng kháng và điện trở tương hỗ ta tính toán trên phần mềm matlab, quét các giá trị để khi nào góc pha dòng điện = góc pha khoảng cách đã chọn. Hàm sử dụng tính toán điện trở, điện kháng tương hỗ trong matlab : //Hàm tính toán điện kháng tương hỗ function [a]=dienkhang(l1,l2,d,k,H,x,y) % x la theta, y la phi xi=0; n=80*l2; for i=1:n ds=l2/(2*n); S=i*ds-0.5*ds; Sx=S*sin(x)*cos(y); Sy=S*sin(x)*sin(y); Sz=S*cos(x); jo=sqrt(Sx^2+(d+Sy)^2); R=sqrt(jo^2+(H+Sz)^2); r1=sqrt(jo^2+(H+Sz+l1/2)^2); r2=sqrt(jo^2+(H+Sz-l1/2)^2); a1=(cos(k*r1))*(Sz+H+l1/2)/r1; a2=(cos(k*r2)/r2)*(Sz+H-l2/2); a3=2*(cos(k*R)/R)*(cos(k*l1/2))*(Sz+H); b=((Sx*sin(x)*cos(y))+(d+Sy)*sin(x)*sin(y))/(jo^2); c=((2*cos(k*l1/2)*cos(k*R)/R)-(cos(k*r1)/r1)- (cos(k*r2)/r2))*cos(x); f=sin(k*(l2/2-abs(S))); u=(((a1+a2-a3)*b+c)*f*ds); u=-30*u; xi=xi+u; end a=2*xi; Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 9 //Hàm tính toán điện trở tương hỗ function [a]=dientro(l1,l2,d,k,H,x,y) % x la theta, y la phi xi=0; n=80*l2; for i=1:n ds=l2/(2*n); S=i*ds-0.5*ds; Sx=S*sin(x)*cos(y); Sy=S*sin(x)*sin(y); Sz=S*cos(x); jo=sqrt(Sx^2+(d+Sy)^2); R=sqrt(jo^2+(H+Sz)^2); r1=sqrt(jo^2+(H+Sz+l1/2)^2); r2=sqrt(jo^2+(H+Sz-l1/2)^2); a1=(sin(k*r1))*(Sz+H+l1/2)/r1; a2=(sin(k*r2)/r2)*(Sz+H-l1/2); a3=2*(sin(k*R)/R)*(cos(k*l1/2))*(Sz+H); b=((Sx*sin(x)*cos(y))+(d+Sy)*sin(x)*sin(y))/jo; c=((2*cos(k*l1/2)*sin(k*R)/R)-(sin(k*r1)/r1)- (sin(k*r2)/r2))*cos(x); f=sin(k*(l2/2-abs(S))); u=(((a1+a2-a3)*b+c)*f*ds); u=-30*u; xi=xi+u; end a=2*xi; Vì các chấn tử được đặt song song với nhau và đều nằm trong cùng 1 mặt phẳng nên x=0, y=0 (tức là các góc hợp bởi chẩn tử =0, =0) - Lấy chấn tử nguồn làm gốc (chấn tử nguồn có Xv=0, nên góc pha=0) Đầu tiên ta sẽ đi tìm chấn tử phản xạ và chấn tử dẫn xạ đầu tiên để cho hệ có phản xạ hoàn toàn và dẫn xạ hoàn toàn. Với thì nên Do nên Suy ra với Tương tự đối với Và được xác định theo Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 10 - Điện trở bức xạ của chấn tử: Đồ thị biến thiên của điện trở bức xạ R theo độ dài chấn tử được biểu diễn: Chọn thì tính được , Suy ra: Chọn thì tính được điện trở và điện kháng tương hỗ => Mà góc pha khoảng cách: Để phản xạ hoàn toàn thì pha dòng điện ( ) bằng pha khoảng cách( ). Suy ra: (= ) => chọn Chọn thì tính được , Suy ra: Chọn thì tính được điện trở và điện kháng tương hỗ => Mà góc pha khoảng cách: Để phản xạ hoàn toàn thì pha dòng điện ( ) bằng pha khoảng cách( ). Suy ra: (= ) => chọn [...]... cao Anten Thừa số của hệ |∑ | biên độ dòng trên chấn tử j ; 12 Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử biên độ dòng trên chấn tử chủ động; pha của dòng trên chấn tử thứ j; khoảng cách từ chấn tử j đến chấn tử 0 Ta coi dòng trong các chấn tử là như nhau Suy ra tỷ số | | Vì vai trò chủ yếu quyết định dạng đặc trưng hướng là phân bố pha chứ không phải là phân bố biên độ Với khoảng cách trung bình giữa các chấn. .. phang H'); 16 Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử 2 Đồ thị bức xạ: f=300 MHz, h=15 m Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E và H không tính ảnh hưởng của đất Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E và H có ảnh hưởng của mặt đất 17 Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử KẾT LUẬN Qua các kết quả mô phỏng đạt được ta thấy rằng Anten là một hệ thống phức tạp, khi thay đổi một vài thông số kỹ thuật trong khi thiết kế thì sẽ... với chiều dài với ) => chọn thì 11 Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử Kết luận: Vậy anten thiết kế có các thông số o Chiều dài chấn tử phản xạ: o Chiều dài chấn tử chủ động: o Chiều dài chấn tử dẫn xạ: , , , b Tính đặc trưng hướng - Anten Yagi có thể coi như một hệ tuyến tính gồm các nguồn rời rạc Anten thường đặt ở độ cao bằng một số lần chiều dài bước.. .Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử Sau đó ta sẽ đi tìm các chấn tử còn lại: Do độ dài của các chấn tử sau phụ thuộc vào hệ số định hướng, (hoặc vào góc bức xạ không, hoặc vào góc bức xạ nửa công suất) Theo yêu cầu thiết kế thì , như vậy góc rất hẹp, búp chính sẽ hẹp, hệ số định hướng sẽ lớn Do đó yêu cầu chiều dài anten phải lớn vì chiều dài anten phụ thuộc vào hệ số định... ghép song song các chấn tử dẫn xạ và dùng chấn tử vòng để cấp điện cho Anten Nhóm chúng em xin chân thành cám ơn thầy Nguyễn Khuyến đã hướng dẫn tận tình trong quá trình chúng em làm bài tập lớn này! 18 Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoài Sơn, Ứng Dụng Matlab Trong Tính Toán Kỹ Thuật, NXB Đại học Quốc gia Tp HCM [2] Phan Anh, Lý Thuyết Và Kỹ Thuật Anten, NXB Khoa Học... đặc trưng hướng là phân bố pha chứ không phải là phân bố biên độ Với khoảng cách trung bình giữa các chấn tử; : pha của dòng điện trên các chấn tử giảm theo quy luật tuyến tính; góc tạo bởi phương điểm quan sát với trục chấn tử, Suy ra |∑ * | | | [ + | ] * [ ] + | 13 Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử * | + [ ] | Đặc trưng hướng chuẩn hóa trong mặt phẳng E * | + [ | ] Đặc trưng hướng chuẩn hóa trong... z=abs((sin((N+2)/2*k*dtb*(1-cos(x)))./((N+2)*sin(k/2*dtb*(1cos(x))))).*(cos(pi/2*sin(x))./cos(x))); figure polar(x,z) title('Do thi buc xa trong mat phang E') 15 Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử Có ảnh hưởng từ mặt đất: clc clear disp('Chuong trinh mo phong do thi buc xa cua anten Yagi' ); disp('Thay doi d'); N=input('So chan tu dan xa N= '); f=input('Tan so (MHz) f= '); h=input('Chieu cao anten thu h= '); dpx=input('Khoang cach (m): dpx= '); ddx1=input('Khoang cach (m): ddx1=... trong mặt phẳng H - Không xét đến ảnh hưởng của đất | - * + [ ] | Xét đến ảnh hưởng của đất thì: | * + [ ] | 14 14 Thiết kế anten Yagi – 7 chấn tử Phần 3: Mô phỏng 1 Chương trình mô phỏng (Viết bằng MatLab) Không có ảnh hưởng từ mặt đất: clc clear disp('Chuong trinh ve do thi buc xa cua anten Yagi '); disp(' SVTH: MXH-TTM-CTM-TTMT '); N=input('So chan tu dan xa: N='); f=input(' Tan so theo MHz: f = ');... nhất, số bức xạ phụ nhỏ thì Anten thu sẽ thu được tín hiệu tốt mà không gặp phải khó khăn trong việc điều chỉnh hướng của Anten thu theo một hướng chính xác về phía Anten phát vì khi đó độ rộng bức xạ chính là lớn Bên cạnh đó, sử dụng các phương pháp tiếp điện để phối hợp trở kháng cũng là vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng thu của Anten Ngoài ra trên Anten đã được thiết kế, ta có thể mở rộng dải... phản xạ Ảnh hưởng của mặt phản xạ lên trường bức xạ của anten trong trường hợp này thường tác động lên đặc trưng hướng trong mặt phẳng đứng - Trong trường hợp tổng 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 đinh bằng công thức: Trong đó: – Thừa số xác định đặc trưng của một chấn tử: Trong mặt phẳng E Trong mặt phẳng H Thừa số