Báo cáo bài tập lớn anten và truyền sóng đề tài thiết kế anten yagi uda

Xây dựng phần mềm khám chữa bệnh từ xa ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ *****  ***** BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Đề tài Thiết kế Anten Yagi Uda Mã lớp 136092 Giảng viên hướ[.]

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

*****  *****

BÁO CÁO

BÀI TẬP LỚN ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG

Đề tài:

Thiết kế Anten Yagi - Uda

Mã lớp : 136092

Giảng viên hướng dẫn : TS Tạ Sơn Xuất

Nhóm sinh viên thực hiện MSSV

Hà Nội, tháng 2 năm 2023

LỜI MỞ ĐẦU

Ăng-ten Yagi-Uda là một trong những ăng ten endfire phổ biến nhất có thể được thiết kế để đạt được mức khuếch đại trung bình với mức phân cực chéo tương đối thấp Bài báo cáo được hoàn thành nhằm mục đích tìm hiểu, củng cố và trang bị cho bản thân kiến thức về Anten và sử dụng phần mềm Báo cáo nêu nên chỉ tiêu kĩ thuật của anten yagi-uda đồng thời thiết kế, mô phỏng và so sánh với bài báo Để anten hoạt động tốt và khi tính toán hay mô phỏng sẽ có một số kết quả không như mong đợi nên cần tối

ưu và thu được một số giá trị Qua đó vận dụng những kiến thức thu thập được để có thể vận dụng làm bài tập, ứng dụng vào môn học, hoàn thành bài tập lớn Xin chân thành cảm ơn thầy cô đã giúp đỡ, cung cấp tài liệu để em có thể hoàn thành bài báo cáo này

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ ANTEN YAGI UDA 5

1.1 Lịch sử anten Yagi Uda 5

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 6

1.3 Đặc tính anten Yagi Uda 10

1.4 Ứng dụng 10

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN YAGI UDA Ở DẢI TẦN 600 MHZ 12

2.1 Tính toán các thông số 12

2.2 Mô phỏng và tối ưu 14

Tài liệu tham khảo 16

KẾT LUẬN 17

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Cấu tạo của anten Yagi-Uda 6

Hình 2 Anten Yagi với Boom bằng gỗ 8

Hình 3 Đồ thị bức xạ của anten Yagi 10

Hình 4 Sơ đồ anten Yagi-Uda 12

Hình 5 Hình ảnh sau khi thiết kế 14

Hình 6 Đồ thị dB(S(1;1)) sau khi tối ưu 14

Hình 7 Đồ thị Gain(dB) 15

Hình 8 Đồ thị Smith của anten sau tối ưu 15

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay nhu cầu về thông tin vô tuyến đang phát triển rất mạnh mẽ trong hầu hết các lĩnh vực từ thông tin di động, đến truy cập Internet không dây, y tế, môi trường, v.v Mỗi thiết bị vô tuyến cần phải có anten để thu và phát tín hiệu Vì vậy Anten là

bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị thu phát, truyền tin Nhất là với công nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay anten đã có những thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước…nhằm thoả mãn tối đa nhu cầu của người

sử dụng

Gần đây, đặc biệt là sau năm 2000, nhiều loại anten mới được thiết kế thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của hệ thống truyền thông Trong khuôn khổ đề tài này, cùng với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, nhóm em sẽ đi sâu vào tìm hiểu về anten Yagi, thiết kê và mô phỏng một an ten Yagi hoạt động ở tần số 600MHz, với các thông số kỹ thuật phù hợp bằng phần mềm mô phỏng HFSS Nội dung báo cáo gồm 2 chương:

Chương 1: Giới thiệu về anten Yagi Uda

Chương 2: Tính toán các thông số cần thiết,mô phỏng anten Yagi

Kết luận

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ ANTEN YAGI UDA

1.1 Lịch sử anten Yagi Uda

Anten Yagi-Uda là loại anten định hướng rất phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong vô tuyến truyền hình, trong các tuyến thông tin chuyển tiếp và trong các đài rada sóng mét Anten này phổ biến như thế vì nó có tính định hướng tương đối tốt mà kích thước và trọng lượng không quá lớn, cấu trúc lại đơn giản, dễ chế tạo Các anten định hướng như Yagi-Uda 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 đẳng hướng

Anten Yagi-Uda được phát minh năm 1926 bởi Shintaro Uda tại Đại học Hoàng

gia Tohoku, Sendai, Nhật Bản, dưới sự hướng dẫn của Hidetsugu Yagi Yagi đã có những chứng minh cho ý tưởng về anten định hướng nhưng việc thiết kế tương đối phức tạp Yagi đã xuất bản 1 tài liệu tham khảo bằng tiếng Anh đầu tiên về loại anten này trong một bài báo khảo sát về nghiên cứu sóng ngắn năm 1928 tại Nhật Bản và nó

đã được trích dẫn dưới tên của ông Tuy nhiên, Yagi luôn công nhận sự đóng góp chính của Uda về thiết kế, và nếu không xem xét tính sáng tạo, tên đúng cho anten là Yagi-Uda (hoặc mảng)

AntenYagi uda đã được sử dụng đầu tiên trong Thế chiến II cho các bộ đầu tiên radar trên không, vì sự đơn giản và tính định hướng Mặc dù được thiết kế ở Nhật Bản nhưng mãi tới khi cuộc chiến tranh đã gần kết thúc, nhiều kĩ sư radar và các cơ quan quân đội Nhật Bản mới lần đầu tiên biết đến công nghệ này Sau trận Singapore, họ bắt giữ ghi chép của một kỹ thuật viên radar Anh kể về "antenna yagi" và các cảnh sát tình báo Nhật Bản thậm chí còn không nhận ra rằng Yagi là một tên Nhật trong bối cảnh này Khi bị hỏi, kỹ thuật viên đã nói rằng đó là một anten được đặt tên theo một giáo

sư Nhật Bản

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Thành phần chính của Anten Yagi-Uda bao gồm một Dipole (hay còn gọi là chấn

tử chủ động) hoạt động ở tần số cộng hưởng với một hoặc nhiều chấn tử hỗ trợ Các chấn tử hỗ trợ bao gồm chấn tử phản xạ (Reflector) và chấn tử dẫn xạ (Director) Hình

1 mô tả sơ đồ cấu tạo các thành phần của anten Yagi [3]

Từ hình 1 có thể thấy được rằng, anten Yagi bao gồm 4 thành phần chính:

• Boom: là phần tử nằm ngang dọc theo anten được sử dụng nhằm liên kết các thành phần của anten lại với nhau

• Driven Element (Dipole / chấn tử chủ động): phần tử chính của anten có tác dụng phát ra hoặc thu nhận sóng vô tuyến

• Reflector (chấn tử phản xạ): là thành phần có chiều dài lớn nhất của anten, nằm ở phía sau chấn tử chủ động (ngược hướng với các chấn tử dẫn xạ) có tác dụng giúp cho anten có tính định hướng tốt hơn

• Director (chấn tử dẫn xạ): tương tự như chấn tử phản xạ, chấn tử dẫn xạ cũng được sử dụng nhằm mục đích tăng tính định hướng của anten

Hình 1 Cấu tạo của anten Yagi-Uda

Phân tích tác dụng các phần tử trong cấu trúc anten Yagi-Uda:

Thiết kế của anten Yagi có phần tử bức xạ chính (chấn tử chủ động) là một Dipole hoạt động bằng nguồn điện được cấp trực tiếp Các phần tử hỗ trợ định hướng bao gồm chấn tử phản xạ và chấn tử dẫn xạ (hay còn gọi là phần tử “kí sinh”) được liên kết với chấn tử chủ động thông qua Boom nhưng không được nối trực tiếp với chấn tử chủ động

mà sử dụng nguyên lý bức xạ điện từ Maxwell lấy năng lượng bức xạ phát ra từ chấn tử chủ động và bức xạ lại

Cơ chế hoạt động của anten Yagi dựa trên sự sai khác về pha của sóng phát ra từ Dipole so với sóng bức xạ từ các chấn tử hỗ trợ [4] Sự sai khác về pha này tác động lên toàn bộ hệ thống anten Yagi, khiến cho năng lượng được tập trung vào một hướng cụ thể Tín hiệu được tăng cường khi các sóng bức xạ ở các chấn tử hỗ trợ đồng pha với nhau, trong khi ở các hướng lệch pha tín hiệu sẽ bị giảm dần và triệt tiêu Biên độ và pha ở các chấn tử hỗ trợ phụ thuộc vào 3 yếu tố chính bao gồm trạng thái của chấn tử chủ động, chiều dài của các chấn tử hỗ trợ và khoảng cách giữa chúng Nếu một chấn tử

hỗ trợ dài hơn chiều dài của chấn tử chủ động thì nó sẽ trở thành thành phần điện cảm, ngược lại – điện dung Dựa vào kiến thức thực tế này, các thành phần bức xạ trong anten Yagi được chia làm 3 loại: chấn tử chủ động, bức xạ, phản xạ Các phần tử này được liên kết với nhau bởi thanh liên kết (Boom)

1 Boom: Trên lý thuyết, anten Yagi có thể hoạt động tốt mà không cần sử dụng thanh liên kết các chấn tử Thực tế, điều này chỉ xảy ra khi thanh liên kết được làm bởi vật liệu cách điện (gỗ, sợi thuỷ tinh,…) và đi kèm với một

số điều kiện khác Thanh liên kết khi được sử dụng trong thực tế có thể dẫn điện hoặc cách điện tuỳ ý, chất liệu của Boom sẽ ảnh hưởng tới chiều dài của các chấn tử khác trong quá trình thiết kế để đảm bảo được đặc tính bức

xạ của anten Vì vậy, mặc dù không phải là thành phần bức xạ chính trong thiết kế của anten Yagi nhưng Boom cũng ảnh hưởng ít nhiều tới đồ thị bức

xạ của anten Các kết quả nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của Boom tới đồ thị bức xạ được mô tả trong [1]

2 Driven Element (Dipole / chấn tử chủ động): là phần tử duy nhất bị điều khiển trực tiếp bằng điện áp hoặc dòng điện xoay chiều, đồng nghĩa cũng là thành phần có tác dụng thu phát sóng vô tuyến của anten Thông thường, Dipole nửa bước sóng hoặc Folded Dipole được sử dùng làm chấn tử chủ động

3 Director (chấn tử dẫn xạ): là thành phần định hướng chính của anten Yagi với chiều dài ngắn hơn so với chấn tử chủ động Các chấn tử dẫn xạ sẽ thay đổi đồ thị bức xạ của sóng vô tuyến đập vào nó bằng cách bức xạ lại với một pha khác [5] Sự lệch pha của các sóng tới này sau khi được tái bức xạ

sẽ được căn chỉnh sao cho các sóng bức xạ tạo ra được nhiều giao thoa có ích nhất có thể, từ đó khiến cho tín hiệu tổng thể trở lên mạnh hơn 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 Điều này giải thích lí do tại sao khi thêm càng nhiều chấn tử dẫn xạ thì sẽ càng tăng Gain cho anten, đồng thời cùng khiến cho độ rộng chùm tia trở lên hẹp hơn (có tính định hướng hơn) Thông thường với mỗi một chấn tử dẫn xạ được thêm vào sẽ tăng Gain thêm khoảng 1 dB theo chiều truyền sóng chính, khi càng nhiều chấn tử được thêm vào thì Gain sẽ tăng chậm hơn

Hình 2 Anten Yagi với Boom bằng gỗ

4 Reflector (chấn tử phản xạ): được đặt ở sau chấn tử chủ động, thường được thiết kế dài hơn 5% so với chấn tử chủ động, giúp tăng tính định hướng của anten bằng cách “chặn” sóng tới từ các chấn tử khác Không giống như 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,… Thông thường một chấn

tử phản xạ sẽ tăng thêm khoảng 4-5 dB theo hướng truyền sóng

Đồ thị bức xạ của anten Yagi-Uda

Anten Yagi có chức năng giống như một mảng End-fire, có đồ thị bức xạ dọc theo trục của mảng (các chấn tử) theo phương của các chấn tử dẫn xạ Tương tự như các anten định hướng hay các mảng end-fire khác, anten Yagi phát ra công suất lớn theo một hướng nhất định nhằm tăng hiệu suất truyền và nhận tin, bên cạnh đó giảm và triệt tiêu nhiễu từ các nguồn không mong muốn [6]

Hình 3 biểu diễn đồ thị bức xạ của anten Yagi-Uda Từ hình 3, ta có thể thấy được rằng, anten Yagi có tính định hướng cao và chỉ định hướng theo một hướng duy nhất

1.3 Đặc tính anten Yagi Uda

Ưu nhược điểm của anten Yagi:

Anten Yagi mang lại nhiều ưu điểm hơn các loại anten khác về:

+ Gain: anten Yagi Uda có hệ số tăng ích cao, cho phép đầu thu nhận các tín hiệu

có cường độ thấp

+ Cấu tạo đơn giản: anten Yagi Uda tương đối đơn giản khi so sánh với các thiết

kế anten khác

+ Có tính định hướng cao vì phối hợp các chấn tử dẫn xạ (Directors), chấn tử phản

xạ (Reflector) và chấn tử chủ động (Driven element)

+ Anten Yagi là một dạng thiết kế anten RF rất thực tế, là sự lựa chọn hiệu quả nhất

về chi phí cho các ứng dụng cần độ lợi và định hướng cao

+ Trọng lượng nhẹ, hiệu suất tốt, dễ dàng trong thi công và lắp đặt

Bên cạnh đó anten Yagi Uda cũng tồn tại vài nhược điểm như:

• Dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường

• Băng thông bị giảm nếu số lượng phần tử định hướng được thêm vào nhiều hơn

Hình 3 Đồ thị bức xạ của anten Yagi

1.4 Ứng dụng

Anten Yagi Uda được sử dụng rất rộng rãi trên các băng tần HF, VHF và UHF Anten Yagi có hệ số tăng ích cao, dải tần hẹp, trải trên khoảng một vài phần trăm xung quanh tần số trung tâm và giảm khi tăng hệ số tăng ích, do đó, nó thường được sử dụng trong các ứng dụng sử dụng tần số cố định

Ứng dụng lớn nhất và được biết đến nhiều nhất là anten truyền hình mặt đất thường được cố định trên tầng thượng, ngoài ra nó cũng được sử dụng cho các liên kết truyền thông cố định điểm-điểm, trong anten radar và để liên lạc sóng ngắn qua các đài phát sóng ngắn và vô tuyến

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ

PHỎNG ANTEN YAGI UDA Ở DẢI TẦN 600 MHZ

2.1 Tính toán các thông số

Thiết kế một Yagi antenna, nhỏ gọn, hoạt động ở dải tần 600 MHz, hệ số 12ong

hệ số tăng ích 12 dBi

Từ dải tần trung bình ta tính được tần số trung tâm và bước 12ong là:

𝑓 = 600𝑀𝐻𝑧

λ = 𝑐

Hình 4 Sơ đồ anten Yagi-Uda

Ta chọn mô hình anten cần thiết kế với các thông số được chọn như sau:

• N=4 là số chấn tử dẫn xạ, (N= 1,2,3,4) mỗi chấn tử có chiều dài là Lx

• Một chấn tử phát xạ (chấn tử chủ động), chiều dài Lbx=0,45 λ

• Một chấn tử phản xạ, chiều dài Lpx

Thông thường độ dài chấn tử chủ động được chọn nhỏ hơn 0,5 λ, trong giới hạn (0,45 ÷ 0,49) λ Chiều dài chấn tử phản xạ thường lớn hơn 5% so với chấn tử chủ động Khoảng cách giữa chấn tử phản xạ và chấn tử chủ động được chọn trong giới hạn (0,15÷0,25)λ Độ dài chấn tử dẫn xạ thường ngắn hơn độ dài của chấn tử chủ động 5%

và nằm trong khoảng (0,4÷0,45)λ Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với chấn tử dẫn

xạ đầu tiên cũng như giữa các chấn tử dẫn xạ với nhau được chọn trong giới hạn (0,35÷0,4)λ Bán kính của chấn tử có độ dài 0.00425λ

Với yêu cầu trên và tham khảo [2], chọn độ dài và khoảng cách của các chấn tử Chiều dài của chấn tử phát xạ: Lbx=0,45λ=225mm

Chiều dài của chấn tử phản xạ: Lpx = 0,482λ=241mm

Khoảng cách giữa chấn tử phát xạ và chấn tử phản xạ:

SR= 0,2λ = 100mm

Khoảng cách giữa chấn tử bức xạ với dẫn xạ:

SD= 0,25λ = 125mm

L1=0,428λ= 214mm

L2=0,420λ= 210mm

L3=0,420λ= 210mm

L4=0,428λ= 214mm

Bán kính của các thanh là 0.00425λ

2.2 Mô phỏng và tối ưu

Hình ảnh sau khi thiết kế với các thông số trên:

Hình 5 Hình ảnh sau khi thiết kế

Do còn hạn chế với kinh nghiệm tối ưu anten và thiết bị mô phỏng nên kết quả tối ưu chưa được tốt Thực hiện tối ưu khi thay đổi giá trị biến Lpx ta có đồ thị S(1;1) như sau:

Hình 6 Đồ thị dB(S(1;1)) sau khi tối ưu

Ta thu được đồ thị Gain:

Đồ thị Gain (dB) đạt max là 12.47 dB, thỏa mãn yêu cầu của đề bài

Hình 7 Đồ thị Gain(dB)

Hình 8 Đồ thị Smith của anten sau tối ưu

Tài liệu tham khảo

[1] D Dobričić: Boom Distance Influence on Yagi Antenna, AntenneX Issue

No 145 (2009) [2] https://www.antenna-theory.com/antennas/travelling/yagi3.php,Last

accessed on February, 2023

[3]

https://duo.com/labs/tech-notes/the-yagi-uda-antenna-an-illustrated-primer#section0, Last accessed on February, 2023

[4]

https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/yagi-uda-antenna-aerial/basics-overview.php, Last accessed on February,

2023

[5]

https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/yagi-uda-antenna-aerial/theory.php, Last accessed on February, 2023

[6]

https://medium.com/@gtenthapa/introduction-to-yagi-uda-antenna-83b4fdabbf75, Last accessed on February, 2023

KẾT LUẬN

Sau một khoảng thời gian dài tìm hiểu và phân tích thiết kế, nhóm chúng em

đã tính toán được mà mô phỏng thành công anten Yagi ở tần số 600MHz bằng phần mềm HFSS Anten mô phỏng thỏa mãn các thông số cũng như yêu cầu đã đề ra như độ tăng ích lớn, tính định hướng cao

Đối chiều với lý thuyết thu được kết quả khá trùng khớp như:

Fch= 600 MHz,

Đồ thị bức xạ, độ tăng ích, đồ thị smith và hướng bức xạ của anten dọc theo trục anten và hướng về phía các chấn tử dẫn xạ đồng thời toàn bộ năng lượng bức xạ về phía trục âm bị chấn tử phản xạ chặn gần như hoàn toàn

Qua quá trình nghiên cứu và thiết kế, chúng em đã rút ra được nhiều kinh nghiệm cho bản thân, đồng thời hiểu hơn về anten Yagi cũng như các công đọan để thiết kế ra một anten hoàn chỉnh Đồng thời cũng qua việc thực hiện đề tài, chúng em có thể hiểu hơn về các ứng dụng của anten Yagi tương ứng với từng dải tần trong thực tế và đặc biệt

là kĩ năng vận dụng lý thuyết được học để xây dựng mô hình, sản phẩm thực tế

Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy cô đã hướng dẫn và giúp đỡ chúng em tận tình trong thời gian chúng em tìm hiểu, phân tích và hoàn thiện đề tài

Trên đây là bài báo cáo của chúng em, mặc dù còn nhiều thiếu sót nhưng cũng là

sự nỗ lực của bản thân Rất mong được sự quan tâm và góp ý của thầy cô

Chúng em xin chân thành cảm ơn