Đang tải... (xem toàn văn)
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ,MÔN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG,Tổng quan về anten Yagi,Tính toán các thông số cần thiết,mô phỏng anten Yagi, ở dải tần 430 MHz
Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn thông Mục lục Page Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn thông LỜI NĨI ĐẦU Ngày nhu cầu thơng 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 vơ 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 m ới đ ược thi ết k ế 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 mơ 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 tốn thơng số cần thiết,mơ anten Yagi dải tần 430MHz Kết luận Page Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn 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 mơ hình điểm- điểm đơi dùng mơ hình điểm-đa điểm Anten Yagi-Uda xây dựng cách hình thành chuỗi tuyến tính anten dipole song song Anten Yagi dùng rộng rãi vơ 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 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 khơng ảnh hưởng đến phân bố dòng 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 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 h ệ th ống vi ễn 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, có th ể biến đổi đ ộ 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 h ệ th ống vi ễn thông Hình 1.2-1 Sự phụ thuộc với X22 Càng tăng khoảng cách d biên độ dòng chấn tử thụ động giảm Tính tốn 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 h ệ th ống vi ễn thơng 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 khác chấn tử, tính theo ba thơng số d l Bảng 2.1 Hệ số sóng chậm Page ξ ứng với độ dài bán kính chấn tử a = 0, 01 l Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn 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 cơng tác trung bình ξ opt = + ) theo cơng thức: λ0 2L (2.2) Sau đó, áp dụng cơng 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 khơng q dB Page ∆f f0 mà Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn 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 1.4-3 - Mô hình anten Yagi Ta chọn mơ 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 h ệ th ống vi ễn 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 27 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn thông Page 28 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn 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 nhơm 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”_Nhơm Hình ảnh sau thiết kế xong chấn tử anten: Page 29 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn 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 30 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn 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 31 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn 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 32 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn thông Trong tab Infinite Sphere giống bảng: Page 33 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn thông 2.2.2.7 Thiết lập tần số hoạt động cho anten Chọn HFSS => Analys Setup => chọn Add Solution Setup => xuất bảng: Page 34 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn thông Ta điều chỉnh thơng 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 35 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn thông Chọn ok; Page 36 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn thơng Hình ảnh sau thiết kế: Page 37 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn 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 38 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn 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 39 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn thông KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian dài tìm hiểu phân tích thiết kế, nhóm chúng em tính tốn mà mơ thành cơng 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 tồn 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 cơng đọan để thiết kế anten hồn 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 mơ 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 40 Báo cáo Bài tập lớn Môn h ệ th ống vi ễn 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 41 ... 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... di chuyển dọc theo trục anten, từ chấn tử chủ động phía chấn tử dẫn xạ Khi đạt quan hệ nói trên, trường xạ tổng chấn tử tăng cường theo hướng (hướng chấn tử dẫn xạ) giảm nhỏ theo hướng khác Thường... 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