Báo cáo bài tập lớn môn Anten và truyền sóng Đề tài: Thiết kế anten Yagi 7 chấn tử

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÀI TẬP LỚN
ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG
Hà Nội 1/2014
Đề tài: Thiết kế anten yagi 7 chấn tử
Giáo viên hướng dẫn: L©m Hång Th¹ch
Sinh viên thực hiện:
1 Ng uyễn Mạnh Thế MSSV: 20112240
2 NguyÔn ThÕ Truêng MSSV: 20106082
1

2. 2
……………………………….………………………………...…18Code
71o………………………………….………….……....Tài liệu tham khả
……...………........17n………...……………………………Kết luậ
…...16….…………..………………………………...Đồ thị bức xạ
…16…….……….……ng………………………………Phần 3: Mô phỏ
...…13……….…………….……ng………………...Đặc trưng hướ
……8………………………….……t…………...Tính toán kĩ thuậ
8……iết kế anten……………………………………………..Phần 2: Th
6………kháng………………iện và phối hợp trởVấn đề tiếp đIII.
5...……………Nguyên lý hoạt động……………………………II.
..4Cấu trúc anten Yagi…………………………………...………I.
4Phần 1: Cơ sở lý thuyết anten Yagi………………………………..……
3Lời nói đầu………………………………………………………………
Mục lục…………………………………………………………….……2
MỤC LỤC

3. 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.
3

4. 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: lpx > λ/2 (1 hay nhiều chấn tử, có thể là 1 mặt)
 Phần tử nguồn: 1 chấn tử cộng hưởng lnguồn hay lcđ, lch có độ dài xấp xỉ λ/2
( Z0A =75Ω nên dùng chấn tử đơn)
 Phần tử phản xạ: 1 hoặc nhiều chấn tử ldx < 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:
ldx1 > ldx2 > ldx3> …>ldxN thì ddx = const
hoặc ddx1<ddx2<ddx3 < … < ddxN thì ldx = const
4

5. Ψ.c a và iợi đưổn đếbiẽ, do đó s22n kháng riêng Xệa điủu cấd
n vàớlội đổn đếbiểng, có thộđụthửn tấa chủdài cội đổng cách thay đằB
c:ứu thểi biởi nhau bớdòng vệ) có quan h2(I
ngộđụthửn tấn trong chệđi) và dòng1ng (Iộđủchửn tấn trong chệghép, dòng đi
ửn tất chếTheo lý thuy.ạn xẫdửn tấphía chềvạn xảphửn tấchừng tớAnten, hư-
II. Nguyên lý làm việc :
+ 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.
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 (hướng -z) và được tăng cường theo hướng
ngược lại (hướng +z).
Tương tự 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 .
5

6. III, Vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng
- Anten chúng ta cần thiết kế có Zv=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 I1 và I2 đều bằng nhau vì đều là dòng lõi.
Trở kháng:
Điểm O nằm trên mặt đẳng thế của vỏ cáp:
Mặt khác: .
=>
Khảo sát Zv từ C-(1):l2=l1+ .Khi đó một đoạn l= ta có Zv=Zt không phụ
thuộc vào Z0.


 Đối chiếu đường dây tiếp điện 75 Ω
Có phối hợp trở kháng. Phối hợp trở kháng cho anten chữ U
6

7. - Bộ biến đổ đối xứng hình cốc
Sơ đồ dưới là sơ đồ bộ biến đổi đố xứng kiểu cốc λ/4. Trong
trường hợp này, cáp tiếp điện được đặt vào cốc kim loại và vỏ cáp
được nối với cốc tại chỗ cáp xuyên qua đáy cốc. với kết cấu như trên
ta sẽ nhận được một đoạn cáp đồng trục mà vỏ là cốc kim loại, còn lõi
cáp là vỏ của cáp đồng trục tiếp điện. Đoạn cáp đồng trục này bị ngắn
mạch một đầu tại đáy cốc. Nếu độ dài của cốc là λ/4 thì trở kháng vào
của cáp đồng trục mới sẽ là ∞. Do đó dòng chảy ra ngoài của cáp tiếp
điện sẽ bằng không. Bộ biến đổ đố xứng dùng cốc như trên có dải tần
công tác hẹp vì khi bước sóng thay đổi, đồ dài sẽ khác ¼ bước sóng,
do đó sẽ xuất hiện dòng chảy ra mặt ngoài và ảnh hưởng đến tiếp điện
đố xứng cho chấn tử.
7

8. Phần 2: Thiết kế Anten
Yêu cầu thiết kế Anten:
Thiết kế anten YAGI 7 chấn tử làm việc ở f=300MHz Zv  75v 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:
 
8

9.  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 Xv= 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 :
(

)
9

10. 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 ( )
Thay vào biểu thức tính ta tính được :
Vậy chiều dài của chấn tử chủ động là:

10

11. - 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
11

12.  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 hướng (hệ số định hướng càng lớn thì
anten có chiều dài càng dài).
 Chọn chiều dài  thì ,
 =>
Góc do thành phần tương hỗ tạo ra với 
  


 (= ) => chọn
 Chọn  và   
 Chọn chiều dài  thì ,
 =>
Góc do thành phần tương hỗ tạo ra  với 
  


 ( ) => chọn
 Chọn  và   
 Chọn chiều dài  thì ,
 =>
Góc do thành phần tương hỗ:  với 
  


 (= ) => chọn
 Chọn  và   
 Tương tự với chiều dài  thì 
12

13. 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 sóng so với mặt đất
hoặc mặt 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 ảnh hưởng của đất. (trong mặt phẳng H).

h- độ cao Anten
 Thừa số của hệ.
|∑ |
biên độ dòng trên chấn tử j ;
13

14. 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 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
|∑ |
|
[ ]
[ ]
|
|
[ ]
[ ]
|
14

15. |
[ ]
[ ]
|
 Đặc trưng hướng chuẩn hóa trong mặt phẳng E
|
[ ]
[ ]
|
 Đặc trưng hướng chuẩn hóa trong mặt phẳng H
- Không xét đến ảnh hưởng của đất
|
[ ]
[ ]
|
- Xét đến ảnh hưởng của đất thì:
|
[ ]
[ ]
|
15

16. 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
ngỏn 3: Mô phầPh
16

17. 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 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 phụ tăng lên, làm cho tín hiệu thu không được tốt hoặc rất khó thu. Nếu muốn
thu được tín hiệu truyền hình tốt thì ta phải điều chỉnh Anten thu hướng một cách chính xác
về hướng Anten phát của đài cầnthu. Vì vậy cần phải điều chỉnh các thông số trên sao cho
phù hợp để có được sự bức xạ tốt 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 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.
Nhóm chúng em xin chân thành cám ơn thầy đã hướng dẫn tận tình
trong quá trình chúng em làm bài tập lớn này!
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 Và Kỹ Thuật.
[3] Lê Tiến Thường, Trần Văn Sư, Truyền Sóng Và Anten, NXB Đại học Quốc gia
Tp. HCM
17

18. a=2*xi;
end
xi=xi+u;
30*u;
-
u=
a3)*b+c)*f*ds);u=(((a1+a2
abs(S)));
-
f=sin(k*(l2/2
(cos(k*r2)/r2))*cos(x);
(cos(k*r1)/r1)c=((2*cos(k*l1/2)*cos(k*R)/R)
^2);b=((Sx*sin(x)*cos(y))+(d+Sy)*sin(x)*sin(y))/(jo
a3=2*(cos(k*R)/R)*(cos(k*l1/2))*(Sz+H);
l2/2);-a2=(cos(k*r2)/r2)*(Sz+H
a1=(cos(k*r1))*(Sz+H+l1/2)/r1;
l1/2)^2);
-
r2=sqrt(jo^2+(H+Sz
r1=sqrt(jo^2+(H+Sz+l1/2)^2);
R=sqrt(jo^2+(H+Sz)^2);
jo=sqrt(Sx^2+(d+Sy)^2);
Sz=S*cos(x);
Sy=S*sin(x)*sin(y);
Sx=S*sin(x)*cos(y);
0.5*ds;-S=i*ds
ds=l2/(2*n);
i=1:nfor
n=80*l2;
xi=0;
% x la theta, y la phi
2,d,k,H,x,y)[a]=dienkhang(l1,lfunction
ỗtương hn khángệđitoánHàm tính//
a=2*xi;
end
xi=xi+u;
30*u;
-
u=
a3)*b+c)*f*ds);
-
u=(((a1+a2
abs(S)));
-
f=sin(k*(l2/2
(sin(k*r2)/r2))*cos(x);
-(sin(k*r1)/r1)-c=((2*cos(k*l1/2)*sin(k*R)/R)
(x)*sin(y))/jo;b=((Sx*sin(x)*cos(y))+(d+Sy)*sin
a3=2*(sin(k*R)/R)*(cos(k*l1/2))*(Sz+H);
l1/2);-a2=(sin(k*r2)/r2)*(Sz+H
a1=(sin(k*r1))*(Sz+H+l1/2)/r1;
l1/2)^2);
-
r2=sqrt(jo^2+(H+Sz
r1=sqrt(jo^2+(H+Sz+l1/2)^2);
jo^2+(H+Sz)^2);R=sqrt(
jo=sqrt(Sx^2+(d+Sy)^2);
Sz=S*cos(x);
Sy=S*sin(x)*sin(y);
Sx=S*sin(x)*cos(y);
0.5*ds;
-
S=i*ds
ds=l2/(2*n);
i=1:nfor
n=80*l2;
xi=0;
% x la theta, y la phi
a]=dientro(l1,l2,d,k,H,x,y)[function
ỗtương hởn trệđitoánHàm tính//
18

19. title('Do thi buc xa trong mat phang E')
polar(x,z)
figure
cos(x))))).*(cos(pi/2*sin(x))./cos(x)));
cos(x)))./((N+2)*sin(k/2*dtb*(1*(1z=abs((sin((N+2)/2*k*dtb
dat')
title('Do thi buc xa trong mat phang H khong tinh anh huong cua
polar(x,y,'m')
figure
cos(x)))));
-
cos(x)))./((N+2)*sin(k/2*dtb*(1
-
y=abs(sin((N+2)/2*k*dtb*(1
x=0:pi/100:2*pi;
1);-dtb=L/(N+2
k=2*pi/lambda;
lambda=3e2/f;
4+ddx5;L=dpx+ddx1+ddx2+ddx3+ddx
ddx5=input(' Khoang cach ddx5= ');
ddx4=input(' Khoang cach ddx4= ');
ddx3=input(' Khoang cach ddx3= ');
ddx2=input(' Khoang cach ddx2= ');
ddx1=input(' Khoang cach ddx1= ');
dpx=input(' Khoang cach dpx = ');
so theo MHz: f = ');f=input(' Tan
N=input('So chan tu dan xa: N=');
---
disp('Chuong trinh ve do thi buc xa cua anten Yagi ');
clear
clc
t:ất đặmừng tởnh hưảKhông có
ng MatLab)ằt bếng (ViỏChương trình mô ph
19

20. ang H');mat ph
title('Anh huong cua dat den do thi buc xa cua he thong, trong
polar(x,y)
figure
title('Ve trong mat phang E');
polar(x,z,'m')
figure
cos(x))))).*(cos(pi/2*sin(x))./cos(x)));
cos(x)))./((N+2)*sin(k/2*dtb*(1z=abs((sin((N+2)/2*k*dtb*(1
(k*h*sin(x)));cos(x))))).*sin
cos(x)))./((N+2)*sin(k/2*dtb*(1y=abs((sin((N+2)/2*k*dtb*(1
x=0:pi/225:2*pi;
1);dtb=L/(N+2
k=2*pi/lambda;
L=dpx+ddx1+ddx2+ddx3+ddx4+ddx5;
lambda=3e2/f;
ddx5=input('Khoang cach (m): ddx5= ');
ddx4=input('Khoang cach (m): ddx4= ');
x3= ');ddx3=input('Khoang cach (m): dd
ddx2=input('Khoang cach (m): ddx2= ');
ddx1=input('Khoang cach (m): ddx1= ');
dpx=input('Khoang cach (m): dpx= ');
h=input('Chieu cao anten thu h= ');
f=input('Tan so (MHz) f= ');
N=input('So chan tu dan xa N= ');
oi d');disp('Thay d
disp('Chuong trinh mo phong do thi buc xa cua anten Yagi');
clear
clc
t:ất đặmừng tởnh hưảCó
20