TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC BÀI TẬP LỚN MÔN: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANNTEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ-2-11 ĐỀ TÀI: Thiết kế mô phỏng anten Yagi tần số UHF bằng Feko Giảng viên hướng dẫn : PGS-TS Đào Ngọc Chiến Học viên thực hiện : ĐẶNG THỊ PHƯỢNG – MSHV: CB110891 TRẦN QUANG HÀO – MSHV: CB110838 Lớp : BK01 Hà Nội, tháng 5/2012 LỜI MỞ 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. Bằng cách 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 rất nhiều các 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 người thực hiện chọn đề tài “ Thiết kế và thi công anten Yagi”. Mục đích của đề tài là tìm hiểu về lý thuyết anten, phương pháp tính và thiết kế anten Yagi bằng công cụ thiết kế FEKO và so sánh kết quả tính toán với bài báo khoa học. Như thế, giới hạn của đề tài chỉ trong phạm vi 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 Nội Dung 1. LÝ THUYÊT ANTEN 1.1. Giới thiệu về anten Anten là những hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ. Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến, Anten đã trở thành bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào. Trong hệ thống thống tin, anten phát đóng vai trò như là thành phần bức xạ sóng điện từ, chuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian. Tại phía thu, Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, chuyển hóa năng lượng điện từ thành tín hiệu điện ở dạng ban đầu khi phát. Ngày nay hiệm vụ của anten không chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng theo những hướng nhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước và còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. 1.2. Yêu cầu cơ bản của anten. Những yêu cầu cơ bản đối với anten được xác định bởi nhiệm vụ của thiết bị vô tuyến điện, chẳng hạn yêu cầu về: - Tính định hướng: Anten của các đài truyền thanh, truyền hình phải phát xạ đều theo mọi phía dọc mặt đất, còn trong radar thông tin cần phải phát xạ trong một hình quạt hẹp nhằm để tập trung năng lượng về phía đài đối. Anten cũng phải có tính chất thu định hướng, cùng với độ chọn lọc của máy thu, tính chọn lọc theo hướng của anten là phương tiện chống nhiễu có hiệu quả. - Phối hợp trở kháng Anten phải bảo đảm phát và thu năng lượng cực đại. Do đó mà có thể xem anten như một thiết bị phối hợp giữa fide và không gian tự do. - Dải tần: Dao động điện từ biến điệu mang tin tức từ máy phát qua fide tới anten. Để thông tin không bị méo, anten phải có một dải tần nhất định. Để chống nhiễu thường dùng phương pháp chuyển tần số công tác hoặc để phù hợp với điều kiện chuyển sóng mà các đài liên lạc sóng ngắn phải làm việc ở các dải tần số khác nhau vào ban ngày và ban đêm. Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau mà không có sự thay đổi đáng kể về chất lượng. - Tính phân cực: Anten phải đặt trên vật thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính ( hướng vectơ điện trường không thay đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực tròn hay phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động vẽ nên đường tròn hay elip). Ngoài ra, để đảm bảo khả năng thông tin theo kiểu tán xạ từ các miền bất đồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của anten phải thay đổi theo một chương trình nhất định. Để đánh giá được anten thực hiện nhiệm vụ và thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật đề ra như thế nào ta thường dùng các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten sau đây: - Nhóm các đặc trưng: Đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực. - Nhóm các tham số: Hệ số tác dụng định hướng, hiệu suất, hệ số khuếch đại, chiều dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng, trở kháng vào… 2. ANTEN YAGI 2.1. Cấu trúc của anten Yagi Sơ đồ của anten được vẽ ở hình 2.1. Gồm một chấn tử chủ động thường là chấn tử nửa sóng (driven energized element) , một chấn tử phản xạ thụ động (reflector), và một số chấn tử dẫn xạ thụ động (director). Thông thường thì các chấn tử phản xạ và dẫn xạ thụ động được gắn trực tiếp với thanh đỡ kim loại. Nếu chấn tử chủ động là chấn 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 của 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 2.1 Cấu trúc anten Yagi Xét một anten dẫn xạ gồm ba phần tử: Chấn tử chủ động A, chấn tử phản xạ P và chấn tử dẫn xạ D. Chấn tử chủ động được nối với máy phát cao tần. Dưới tác dụng của trường bức xạ tạo bởi A, trong P và D sẽ xuất hiện dòng cảm ứng và các chấn tử này sẽ bức xạ thứ cấp. Như đã biết, nếu chọn được chiều dài của P và khoảng cách từ A đến P một cách thích hợp thì P sẽ trở thành chấn tử phản xạ của A. Khi ấy, năng lượng bức xạ của cặp A-P sẽ giảm yếu về phía chấn tử phản xạ và được tăng cường theo hướng ngược lại ( hướng +z). Tương tự như vậy, nếu chọn được độ dài của D và khoảng cách từ D đến A một cách thích hợp thì D sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ của A. Khi ấy, năng lượng bức xạ của hệ A-D sẽ được tập trung về phía chấn tử dẫn xạ và giảm yếu theo hướng ngược ( hướng –z). Kết quả là năng lượng bức xạ của cả hệ sẽ được tập trung về một phía, hình thành một kênh dẫn sóng dọc theo trục của 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: (2.1) Với (2.2) Càng tăng khoảng cách d thì biên độ dòng trong chấn tử thụ động càng giảm.Tính toán cho thấy rằng, với (0,1 0, 25)d λ ≈ ÷ thì khi điện kháng của chấn tử thụ động mang tính cảm kháng sẽ nhận được I 2 sớm pha hơn I 1 . Trong trường hợp này chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử phản xạ. Ngược lại, khi điện kháng của chấn tử thụ động mang tính dung kháng thì dòng I 2 sẽ chậm pha so với dòng I 1 và chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ. Thông thường, ở mỗi anten Yagi chỉ có một chấn tử làm nhiệm vụ phản xạ. Đó là vì trường bức xạ về phía ngược đã bị chấn tử này làm yếu đáng kể, nếu có thêm một chấn tử nữa đặt tiếp sau nó thì chấn tử phản xạ thứ hai sẽ được kích thích rất yếu và do đó cũng không phát huy được tác dụng. Để tăng cường hơn nữa hiệu quả phản xạ, trong một số trường hợp có thể sử dụng mặt phản xạ kim loại, lưới kim loại, hoặc một tập hợp vài chấn tử đặt ở khoảng cách giống nhau so với chấn tử chủ động, 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. Vì sự bức xạ của anten được định hướng về phía các chấn tử dẫn xạ nên các chấn tử này được kích thích với cường độ khá mạnh và khi số chấn tử dẫn xạ đủ lớn sẽ hình thành một kênh dẫn sóng. Sóng truyền lan trong hệ thống thuộc loại sóng chậm, nên về nguyên lý, anten dẫn xạ có thể được xếp vào loại anten sóng chậm. Số chấn tử dẫn xạ có thể từ 2 ÷ 10, đôi khi có thể lớn hơn (tới vài chục). 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 vì hai lý do chính sau đây: - Có thể gắn trực tiếp chấn tử lên thanh đỡ kim loại, không cần dùng phần tử cách điện - Chấn tử vòng dẹt có trở kháng vào lớn, thuận tiện trong việc phối hợp trở kháng. 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. Quan hệ tốt nhất cần đạt được đối với các dòng điện này là tương đối đồng đều về biên độ, với giá trị gần bằng biên độ dòng của chấn tử chủ động, và chậm dần về pha khi di chuyển dọc theo trục anten, từ chấn tử chủ động về phía các chấn tử dẫn xạ. Khi đạt được quan hệ trên, trường bức xạ tổng của các chấn tử sẽ được tăng cường theo một hướng (hướng của các chấn tử dẫn xạ), và giảm nhỏ theo các hướng khác. Thường, điều kiện để đạt được cực đại của hệ số định hướng về phía các chấn tử dẫn xạ cũng phù hợp với điều kiện để đạt được bức xạ cực tiểu về phía các chấn tử phản xạ. Do vậy, khi anten dẫn xạ được điều chỉnh tốt thì bức xạ của nó sẽ trở thành đơn hướng. Vì đặc tính bức xạ của anten có quan hệ mật thiết với các kích thước tương đối của anten (kích thước so với bước sóng) nên anten Yagi thuộc loại anten dải hẹp. Dải tần số của anten khi hệ số định hướng chính biến đổi dưới 3 dB đạt được khoảng vài phần trăm. Khi số lượng chấn tử dẫn xạ khá lớn, việc điều chỉnh thực nghiệm đối với anten sẽ rất phức tạp vì khi thay đổi độ dài hoặc vị trí của mỗi chấn tử sẽ dẫn đến sự thay đổi biên độ và pha của dòng điện trong tất cả các chấn tử. Việc xác định sơ bộ các kích thước và thông số của anten có thể được tiến hành theo phương phương pháp lý thuyết anten sóng chậm ( anten sóng chạy có vận tốc pha nhỏ hơn vận tốc ánh sáng). Giả thiết các chấn tử dẫn xạ có độ dài bằng nhau và gần bằng một nửa bước sóng, chúng được đặt cách điện đều nhau dọc theo trục z và tạo thành một cấu trúc sóng chậm (sóng mặt), với hệ số sóng chậm 2.2. Phương pháp tính các đặc trưng tham số của anten Cách tính toán như đã xét ở ví dụ trên chỉ cho phép ước lượng sơ bộ chứ không thể dùng để thiết kế anten. Để tính toán chính xác anten dẫn xạ có thể sử dụng lý thuyết của chấn tử ghép. Sau đây sẽ giới thiệu nội dung và các bước tính toán đối với bài toán tổng quát của loại anten này. Ta chọn sơ đồ anten Yagi là một tập hợp các chấn tử nửa sóng giống nhau ( hình 2.2). Hình 2.2 Sơ đồ anten Chấn tử chủ động A được đặt ở gốc toạ độ. Vị trí của các chấn tử thụ động trên trục z được đặc trưng bởi các toạ độ zn , với n = 1, 2, ….N ( N là số chấn tử dẫn xạ) và bởi toạ độ Zp đối với chấn tử phản xạ. Việc điều chỉnh đối với mỗi chấn tử thụ động sẽ được thực hiện bởi các điện kháng biến đổi được . Các bước tính toán đối với mô hình anten ở trên như sau: Bước 1: Ứng với vị trí cố định của các chấn tử và với các giá trị của các điện kháng điều chỉnh đã chọn, biên độ phức của dòng điện trong mỗi chấn tử sẽ được xác định khi giải hệ phương trình Kirchhoff đối với hệ ( N + 2) chấn tử ghép. Trong đó là phần tử 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 . Có thể được xác định theo các công thức của lý thuyết anten ( phương pháp sức điện động cảm ứng), hoặc tính theo các bảng cho sẵn. Các đại lượng là điện kháng toàn phần của chấn tử phản xạ, chấn tử chủ động và các chấn tử dẫn xạ, trong đó bao gồm điện kháng riêng của mỗi chấn tử và điện kháng điều chỉnh đối với mỗi chấn tử nếu có (sau này, khi tính toán xong thì việc thể hiện thực tế các điện kháng này sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng các chấn tử ngắn mạch ở giữa và lựa chọn độ dài thích hợp cho chúng). Đại lượng U trong công thức trên là điện áp đặt ở đầu vào chấn tử chủ động và có thể được chọn tuỳ ý ( ví dụ U = 1V). Bước 2: Theo các trị số dòng điện tìm được khi giải hệ phương trình (5.3) sẽ tính được hàm phướng hướng tổ hợp. trong đó, θ là góc giữa trục anten và hướng của điểm khảo sát. Đối với mặt phẳng H thì (5.4) cũng chính là hàm phương hướng của cả hệ Bước 3: Tìm trở kháng vào của chấn tử chủ động khi có ảnh hưởng tương hỗ của các chấn tử thụ động: Trị số X A sẽ được chọn theo điều kiện để đảm bảo X VA = 0. Như vậy, từ (5.5) sẽ xác định được X A và do đó Z VA = R VA Bước 4: Tính hệ số định hướng của anten ở hướng trục theo công thức: trong đó, D 0 = 1,64 là hệ số định hướng của chấn tử nửa sóng; L - độ dài anten. Hệ số A phụ thuộc vào tỷ số L/λ. Được biểu thị trên hình sau: [...]... KẾT QUẢ MÔ PH NG Kết quả thi công và mô ph ng: Sử dụng ph n mềm FEKO 1 Khởi tạo project mới 2 Tạo hình dáng và các tham số liên quan tới ăngten Yagi- Uda ăng-ten trên mặt đất thực sự Mô hình xem xét bức xạ theo chiều ngang ph n cực anten Yagi- Udabao gồm một ph n xạ lưỡng cực, và director Tần số là 400 MHz Các ăng-ten nằm 3 m trên mặt đất thực sự được mô hình hóa với chức năng Greens xây dựng - freq =400e6... các ph n tử tích cực với điểm bắt đầu (0,-li / 2, h) điểm Cuối là (0,li / 2, h) Thiết lập các nhãn như là ph n tử tích cực.Thêm một cổng trên một đoạn ở trung tâm của dây (ph i hợp trở kháng).Thêm một nguồn điện áp trên cổng (1 V, 0 ◦) Tạo ra các dây ph n xạ Thiết lập điểm bắt đầu là (-d,-lr / 2, h) và điểm cuối điểm như (-d, lr / 2, h) Thiết lập các nhãn như ph n xạ.Tạo ba dây cho các director - - Tạo... of the elements.) 4 KẾT LUẬN Qua các kết quả mô ph ng đạt được ta thấy rằng Anten là một hệ thống ph c tạp, khi thay đổi một vài thông số kỹ thuật trong khi thiết kế thì sẽ dẫn đến ảnh hưởng đến chất lượng của Anten Chẳng hạn như, khi tăng khoảng cách giữa các chấn tử lớn dần, hoặc chọn số thanh dẫn xạ nhiều quá, thì sự bức xạ hướng tính của Anten càng tăng, đồng thời số bức xạ ph tăng lên Làm cho... ph i điều chỉnh anten thu hướng một cách chính xác về hướng anten ph t của đài cần thu Vì vậy cần ph i điều chỉnh các thông số trên sao cho ph hợp để có được sự bức xạ tốt nhất, số bức xạ ph nhỏ thì anten thu sẽ thu được tín hiệu tốt mà không gặp ph i khó khăn trong việc điều chỉnh hướng của anten thu theo một hướng chính xác về ph a anten ph t vì khi đó độ rộng bức xạ chính là lớn Bên cạnh đó, kết... về ph a anten ph t vì khi đó độ rộng bức xạ chính là lớn Bên cạnh đó, kết quả mô ph ng anten Yagi- Uda khá tốt,sát với kết quả mô ph ng trong bài báo [] Ngoài ra trên anten đã được thiết kế, ta có thể mở rộng dải tần để thu được nhiều kênh hơn bằng cách ghép song song các chấn tử dẫn xạ và dùng chấn tử vòng để cấp điện cho anten Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn PGS TS Đào Ngọc Chiến đã tận tình giúp... các giải ph p này vấn đề Các yêu cầu giải ph p là: - Tạo một yêu cầu theo chiều dọc xa trên mặt ph ng mặt đất (-9 0 ◦ ≤ q ≤ 90 ◦, với φ = 0 và 2 ◦ tăng dần) Các thông số khác: Meshing information - Triangle edge length: Not applicable - Wire segment length: lambda/15 - Tetrahedral edge length: Not applicable - Wire segment radius: lambda*2.5e-3 Electric far filed (400Mhz) Kết quả chạy mô ph ng: Parallel... quả chạy mô ph ng: Parallel Polar schematic Với tần số F= 500Mhz Nhận xét: Kết quả thu được tương đối giống với bài báo về yagi- uda khao sát tần số 400Mhz Nếu thay đổi thông số tần số: (tăng lên) , Các trường khu xa và gần tăng lên (sigma tăng) : ph rộng ra và thấp hơn so với mức chuẩn lý thuyết Kết quả áp dụng với Ăngten thực cách mặt đất 3m (các thông số tương tác theo lý thuyết) có thể tối ưu thêm... được hiệu quả ph i hợp cao, với hệ số sóng chạy trong fide gần bằng 1 mà không cần mắc các ph n tử ph i hợp 2.3.2 Tiếp điện cho chấn tử đối xứng bằng cáp đồng trục Như trên đã khảo sát vấn đề tiếp điện và ph i 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... - freq =400e6 (tần số hệ) Lambda = c0/freq (bước sóng trong không gian tự do tại các tần số hoạt động.) Lr = 0,477 * lambda (độ dài của ph n xạ.) - li = 0,451 * lambda (Chiều dài của ph n tử hoạt động) Ld = 0,442 * lambda (dài của director.) d = 0,25 * lambda (Khoảng cách giữa các ph n tử) h = 3 (Chiều cao của ăng-ten trên mặt đất) epsr = 10 (chỉ số tương tác của mặt đất) Sigma = 1e-3 (mặt đất dẫn)... xạ.Tạo ba dây cho các director - - Tạo một điện môi mặt đất được gọi là với chỉ số tương tác là 10 và dẫn là 1e-3 Xác định một chất nền đa vô hạn với layer0 thiết lập để không gian tự do và thiết lập layer1với mặt đất Hủy bỏ các không gian tiến hành từ ph a dưới bề mặt - một độ dày sau đó không được yêu cầu từ các lớp này mở rộng đến vô cùng Thiết lập tần số freq Yêu cầu tính toán Một plane duy nhất của . SAU ĐẠI HỌC BÀI TẬP LỚN MÔN: PH N TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANNTEN BẰNG PH ƠNG PH P S -2 -1 1 ĐỀ TÀI: Thiết kế mô ph ng anten Yagi tần số UHF bằng Feko Giảng viên hướng dẫn : PGS-TS Đào Ngọc Chiến Học. anten thường dùng. Đó là lý do người thực hiện chọn đề tài “ Thiết kế và thi công anten Yagi . Mục đích của đề tài là tìm hiểu về lý thuyết anten, ph ơng ph p tính và thiết kế anten Yagi bằng. và mô ph ng: Sử dụng ph n mềm FEKO 1. Khởi tạo project mới 2. Tạo hình dáng và các tham số liên quan tới ăngten Yagi- Uda ăng-ten trên mặt đất thực sự Mô hình xem xét bức xạ theo chiều ngang ph n