Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59

Thiết kế anten Yagi thu kênh truyền hình 57-58-59

Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Dương Thế Nhân đã giúp đỡ em rât nhiều trong quá trình thực hiện đồ

án này!

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

hình 57-58-59

MỤC LỤC Trang

I.Lý thuyết……….… 3

1 Vai trò của Anten trong đời sống……… 3

2 Giới thiệu lịch sử phát triển của Anten……… 4

3 Những đặc tính cơ bản của Anten……… 6

4 Giới thiệu hệ thống anten thu phát……… 9

5 Sơ lược về kênh truyền hình 57-58-59……… 10

6 Hệ thống bức xạ Yagi –Uda các phần tử thẳng……… 12

II Mô phỏng……… 17

III Kết luận và hướng phát triển……… 31

Tài liệu tham khảo……… 32

I.Lý thuyết

1 Vai trò của Anten trong đời sống

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện bằng hai con đường Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng,v.v…“chuyên chở” sóng điện từ trực tiếp trên đường truyền dưới dạng dòng điện Sóng điện từ lan truyền trong hệ thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến)

Cách truyền này tuy có độ chính xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp không thể xây dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay thế bằng cách cho sóng điện từ bức xạ ra môi trường tự

do Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến nơi thu Vậy cần phải có một thiết bị phát sóng điện từ ra không gian cũng như thu nhận sóng điện từ từ không gian, để đưa vào máy thu Loại thiết

bị này được gọi là anten

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, vì đã là hệ thống vô tuyến có nghĩa là hệ thống đó có sử dụng sóng điện từ, thì không thể không dùng đến thiết bị bức xạ hoặc thu sóng điện từ

Ví dụ, một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu Thông thường giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổi thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian Cấu tạo của anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên.Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nó tiếp thu sóng điện từ tự

do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng

này sẽ được truyền theo fide tới máy thu, còn một phần sẽ bức xạ trở lại vào không gian (bức xạ thứ cấp).

Yêu cầu của thiết bị anten-fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu

Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiến từ xa….Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau.Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang, để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát Song anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết

Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến điều khiển…thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian

Như vậy nhiệm 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 ấy theo những hướng nhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước

Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, rada, điều khiển … cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten, hệ thống cung cấp tín hiệu bảo đảm việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau, hoặc hệ thống gia công tín hiệu

2 Giới thiệu lịch sử phát triển của Anten

Anten là những hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ Anten có thể được xem như là các thiết bị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào như: cáp đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang

Trong nhiều ứng dụng, các anten có thể cạnh tranh với các phương tiện truyền dẫn khác để phát và chuyển tải năng lượng trường điện từ Thông

thường suy hao trường điện từ trong các vật liệu sẽ tăng nhanh theo tần số Điều này được hiểu ngầm rằng, khi tần số tăng thì việc dùng các phần dẫn sóng bằng vật liệu sẽ kém thuyết phục và kém hiệu quả trong việc chuyển tải năng lượng trường điện từ (Điều này cũng có nghĩa là hiệu suất của anten cũng tăng theo tần số) Do đó thực tế Anten được ưa chuộng hơn trong việc chuyển tải các trường điện từở tần số cao

Sóng điện từ, nền tảng của lý thuyết anten, được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện học và từ học Maxwell đã hệ thống một cách khái quát toàn bộ lý thuyết trên thành một hệ phương trình rất nổi tiếng

và rất quan trọng: hệ phương trình Maxwell Một vài mốc quan trọng trong lịch sử phát triển của Anten:

 Năm 1886: nhà vật lý người Đức Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận

và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu dùng một mạch dao động hở với lưỡng cực Hertz thìở vùng xa lưỡng cực sẽ hình thành trường phát xạ

 Sau khi hoàn thành dụng cụ để chứng minh thí nghiệm của Hertz, năm 1897 Popob nhà phát minh vô tuyến điện người Nga đã dùng các dụng cụ này làm phương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn và có khả năng truyền các tín hiệu ở khoảng cách 3 dặm

 Năm 1901 : Guglielmo Marconi đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cách lớn Hệ thống này hoạt động ở tần số khoảng 60 Khz

 Năm 1916 : Trước năm 1916, hầu hết thông tin vô tuyến chủ yếu là điện báo Trong năm 1916, lần đầu tiên sử dụng tín hiệu đã điều chế biên độ

để truyền tín hiệu thoại qua sóng vô tuyến

 Năm 1930: Người ta tạo được nguồn phát klystron và magnetron có

khả năng phát ra tín hiệu với tần số lên đến GHz (gọi là dao động cao tần).

 Từ 1940 đến nay: Anten đãđược ứng dụng rất rộng rãi trong hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thiên văn,vô tuyến điều khiển từ xa, …

3 Những đặc tính cơ bản của Anten

 Trường điện bức xạ vùng xa:

Sự phối hợp trở kháng đặc trưng bởi hệ số phản xạ:

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

Tính phân cực cũng phải tùy yêu cầu cụ thể Chẳng hạn 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

4 Giới thiệu hệ thống anten thu phát

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên lạc dùng anten được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Sau đây là sơ đồ hệ thống thu phát đơn giản :

Ở hệ thống phát anten đóng vai trò như là thành phần bức xạ sóng điện

từ, nó chuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian

Khi đến anten thu thì năng lượng điện từ được biến đổi thành tín hiệu điện ở máy thu,ở đây tín hiệu được trả về dạng ban đầu của nó.

5 Sơ lược về kênh truyền hình 57-58-59

QUY ƯỚC VỀ CÁC DẢI TẦN SỐ

Dải tần số Tên, ký hiệu Ứng dụng

3 – 30 kHz Very low freq (VLF) định vị , thông tin dưới nước

30 – 300kHz Low freq (LF) hàng hải hàng không

300 –3000kHz Medium freq (MF) Phát thanh AM, hàng hải, trạm

thông tin duyên hải, chỉ dẫn tìm kiếm

3 – 30 MHz High Freq (HF) Điện thoại, điện báo, phát thanh

sóng ngắn, hàng hải, hàng không

30 – 300MHz Very High Freq (VHF) TV, phát thanh FM, điều khiển

giao thông, cảnh sát, taxi, 0,3 – 3 GHz Ultrahigh (UHF) TV, thông tin vệ tinh, do thám,

Radar giám sát,

3 – 30 GHz Superhigh freq (SHF) Hàng không, Viba (microwave

links), thông tin di động, thông tin vệ tinh

30 – 300GHz Extremly high freq (EHF) Radar, nghiên cứu khoa học

Kênh 57-58-59 là các kênh truyền hình ti vi kĩ thuật số nằm trong dải tần UHF

Quy định các kênh và tần số tương ứng theo chuẩn Ireland và UK cho ứng dụng tivi kĩ thuật số.

6 Hệ thống bức xạ Yagi –Uda các phần tử thẳng

Một hệ thống bức xạ rất thực tế cho các dãy 300Mhz) và UHF(300-3000Mhz) chính là anten Yagi-Uda Nó bao gồm một

HF(3-30Mhz),VHF(30-số dipole thẳng như sau:

Một phần tử được cấp điện trực tiếp bằng đường dây truyền dẫn gọi là Driven, còn các phàn tử khác gọi là các bộ bức xạ kí sinh mà dòng của nó được cảm ứng bằng hỗ cảm phần tử cấp điện thông dụng của anten yagi-Uda

là dipole bẻ vòng Bộ bức xạ này được thiết kế để hoạt động như hệ thống bức

xạ trục, có các phần tử kí sinh theo chiều bức xạ thuận như các thanh hướng

xạ, trong khi thanh chiều ngược lại gọi là thanh phản xạ

Để đạt được bức xạ endfire, các phần tử kí sinh theo chiều bức xạ phải

có chiều dài ngắn hơn phần tử cấp điện thông thường phần tử cấp điện cộng hưởng chiều dài hơi bé hơn λ/2 (thường 0.45 - 0.49λ) trong khi chiều dài bộ hướng xạ khoảng 0.4 - 0.45λ Tuy nhiên các bộ hướng xạ không nhất thiết cùng chiều dài hay đường kính

Khoảng cách giữa các hướng xạ thông thường là 0.3 - 0.4λ và không cần thiết đồng nhất để thiết kế tối ưu Thực nghiệm cho thấy với anten Yagi-Uda dài 6λ thì độ lợi tương đương độc lập với khoảng cách các hướng xạ đến

khoảng 0.3λ một mất mát có ý nghĩa 5-7dB được ghi nhận được ghi nhận cho các khoảng cách giữa các hướng xạ lớn hơn 0.3λ, độ lợi của anten cũng độc lập với bán kính bộ hướng xạ đến khoảng 0.024λ

Chiều dài bộ phản xạ lớn hơn phần tử cấp điện khoảng cách giữa phần

tử cấp điện và phần tử phản xạ thì ngắn hơn khoảng cách giữa phần tử cấp điện và phần tử hướng xạ gần nhất, gần tối ưu khoảng 0.25λ

Vì chiều dài mỗi thanh hướng xạ là nhỏ hơn chiều dài cộng hưởng, trở kháng của nó có tính dung và dòng điện nhanh pha hơn sức điện động cảm ứng tương tự trở kháng của thanh phản xạ có tính cảm và dòng điện chậm pha hơn sức điện động cảm ứng

Các phần tử với khoảng cách thích hợp với chiều dài bé hơn λ/2 có tác dụng như hướng xạ bởi vì chúng tạo thành hệ thống sắp xếp với các dòng điện xấp xỉ như nhau về biên độ và có pha biến đổi độ dời bằng nhau sẽ tăng cường trường của phần tử được được năng lượng hóa theo chiều của bộ hướng xạ Tương tự, một khoảng cách thích hợp với chiều dài λ/2 hay cao hơn chút

ít sẽ có tác dụng như bộ phản xạ Do vậy anten Yagi-Uda có thể được xem như là cấu trúc cung cấp sóng chạy mà chất lượng được xác định nhờ phân bố dòng trong mỗi phần tử và vận tốc pha của sóng chạy

Thực tế, vai trò chính của phản xạ chỉ bởi một phần tử gần thanh driven, chất lượng thay đổi rất ít nếu dùng nhiều hơn một thanh phản xạ Tuy nhiên, một sự cải tiến đáng chú ý đến nhiều thanh hướng xạ được thêm vào mảng Thực tế có giới hạn mà nếu vượt qua nó thì độ lợi tăng không đáng kể vì nếu

có quá nhiều thanh hướng xạ thì có sự giảm biên độ dòng cảm ứng Thông thường nên có từ 6-12 hướng xạ

Tuy nhiên nhiều hệ thống được thiết kế đến 30-40 phần tử chiều dài hệ thống óc bậc 6 λ là một ví dụ Một độ lợi(so với vô hướng) khoảng từ 5-9 dB/λ là thông thường cho các mảng này, sẽ tạo ra độ lợi toàn cục từ 30-54 (14.8-17.3)

Các đặc tính bức xạ được quan tâm của anten Yagi-Uda là độ lợi thuận

và ngược trở kháng vào,băng thông, tỉ lệ trước sau (front to back ratio) biên

độ của bức xạ phụ Chiều dài và đường kính của các hướng xạ và phản xạ

cũng như khoảng cách xác định các đặc tính tối ưu Đã trải qua nhiều năm, các phương pháp thiết kế tối ưu dựa vào thực nghiệm tuy nhiên nhờ các phương pháp số, máy tính có thể tìm các kích thước hình học để đạt được chất lượng hoạt động cao.

Thông thường anten Yagi-Uda có trở kháng vào thấp và băng thông hẹp (2%) Sự cải thiện có thể đạt được nếu chịu mất mát độ lợi (gain), biên độ của bức xạ phụ … Thông thường sự tương đương được thực hiện và phụ thuộc vào kích thước cụ thể Một cách thay đổi trở kháng ngõ vào mà không làm thay đổi các thông số khác là dùng dipole FRB =20(15dB) Đối với các thiết

kế tối ưu, các bức xạ phụ khoảng 30% hay nhỏ hơn -5.23dB so với bức xạ chính

Anten Yagi-Uda có thể được tóm tắt gồm 3 phần:

1.Sự sắp xếp phản xạ - cấp nguồn (reflector_feeder)

2 Cấp nguồn (feeder)3.Các hướng xạ (Directors)

• Phương pháp Moment :

Là một phương pháp dựa trên phương trình tích phân chặt chẽ phân tính trường điện được bức xạ bởi các phần tử của mảng,mô tả phân bố dòng phức trên tất cả các phần tử, vận tốc pha, và đồ thị bức xạ tương ứng dựa trên

phương trình tích phân Pocklington’s

• Phương trình tích phân Pocklington’s

Với:

Phương trình tích phân Pocklington’s trở thành:

Với :

Với n=1,2,3,4 N với N là số phần tử

• Bức xạ miền xa:

Với :

• Kết luận:

Bằng thí nghiệm và mô phỏng thì :

Khoảng cách phản xạ và cấp nguồn không ảnh hưởng nhiều đến đô lợi thuận và có ảnh hưởng lớn đến độ lợi ngược (FBR) và trở kháng ngõ vào , chúng có thể được dùng để được dùng để điều khiển hay tối ưu các thông số anten mà không làm thay đổi độ lợi một cách có ý nghĩa

Chiều dài của thanh cấp nguồn và bán kính có ảnh hưởng nhỏ lên độ lợi thuận nhưng ảnh hưởng lớn đến độ lợi nghịch và trở kháng vào mà thông dụng nhất là làm cho nó là số thực (phần tử cộng hưởng)

Kích thước và khoảng cách giữa các hướng xạ có ảnh hưởng lớn đến độ lơi thuận, độ lợi ngược và trở kháng vào, và chúng được xem xét là các phần

tử khắt khe của mảng

Để tăng hệ số định hướng của anten Yagi-Uda hay giảm độ rộng mặt phẳng E, nhiều hàng của Yagi-Uda được sử dụng đẻ tạo thành màn anten (curtain anten) Để trung hòa các ảnh hưởng của dòng dây dẫn , một số lẻ các hàng được sử dụng

Mặc dù tài liệu không bao gồm tất cả các thiết kế có thể, chúng đáp ứng hầu hết các yêu cầu thực tiễn.

Bảng sau trình bày các thông số ăng-ten tối ưu hóa cho sáu độ dài khác nhau với d / λ = 0,0085:

• Nếu thiết kế theo bảng trên:

- Kênh 57-58-59 có băng tần 762-782 Mhz Tần số trung tâm f0=

770Mhz

- Tần số trung tâm λ0 =389.6 (mm)

- Để có độ lợi lớn hơn 12 dB ta chọn thiết kế có 12 phần tử như sau:

- Khoảng cách giữa các phản xạ ,cấp nguồn, hướng xạ kề nhau là

s=0.2 λ0 =0.0779m =77.9 (mm)

- Đường kính các phần tử d= 2*r =0.0085 λ0 =3.31 (mm)

- Thanh xà có đường kính D=0.06 λ0 =23.4 (mm)

- Chiều dài tổng cộng của anten là (N-1)*s=(12-1)*0.2*λ0=0.857(m)Thanh phản xạ l1 0.482 λ0 0.188 (m)

• Sử dụng chương trình CST Microwave Studio 2009 để mô phỏng

• Các kết quả mô phỏng hiệu chỉnh: