đồ án mô phỏng anten yagi bằng phần mềm HFSS

LỜI NÓI ĐẦUCHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĂNG TEN YAGI1.1Giới thiệu về anten Yagi1.2Cấu tạo và nguyên lý hoạt động1.3Hệ số sóng chậm1.4Đặc trưng hướng1.5Trở kháng vào của chấn tử chủ động1.6Hệ số định hướng1.7Dải thông của anten YagiCHƯƠNG II. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN YAGI Ở DẢI TẦN 430 MHZ2.1Tính toán các thông sô2.2Mô phỏng anten yagi với HFSs2.2.1Khởi tạo chương trình , tao project2.2.2Thiết lập các thông số cơ bản cho việc thiết kế.2.2.3Xuất kết quả mô phỏng:KẾT LUẬN

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay nhu cầu về thông tin vô tuyến đang phát triển rất mạnh mẽ trong hầuhết các lĩnh vực từ thông tin di động, đến truy cập Internet không dây, y tế, môitrường, v.v Mỗi thiết bị vô tuyến cần phải có anten để thu và phát tín hiệu Vì vậyAnten là bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị thu phát, truyền tin Nhất là vớicông nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay anten đã cónhững thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước…nhằm thoả mãntối 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 430MHz, vớicác thông số kỹ thuật phù hợp bằng phần mềm mô phỏng HFSS Nội dung báo cáogồm 3 chương:

Chương I: Tổng quan về anten Yagi

Chương II: Tính toán các thông số cần thiết,mô phỏng anten Yagi ở dải tần430MHz

Kết luận

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĂNG TEN YAGI

1.1 Giới thiệu về anten Yagi

Anten Yagi là loại anten định hướng rất phổ biến bởi vì chúng dễ chế tạo Cácanten định hướng như Yagi thường sử dụng trong những khu vực khó phủ sóng hay ởnhững nơi cần vùng bao phủ lớn hơn vùng bao phủ của anten omni-directional AntenYagi hay còn gọi là anten Yagi-Uda (do 2 người Nhật là Hidetsugu Yagi và ShintaroUda chế tạo vào năm 1926) được biết đến như là một anten định hướng cao được sửdụng trong truyền thông không dây Loại anten này thường được sử dụng cho môhình điểm- điểm và đôi khi cũng dùng trong mô hình điểm-đa điểm Anten Yagi-Udađược xây dựng bằng cách hình thành một chuỗi tuyến tính các anten dipole song songnhau

Anten Yagi được dùng rộng rãi trong vô tuyến truyền hình, trong các tuyến

thông tin chuyển tiếp và trong các đài rada sóng mét Anten này đươc dùng phổ biếnnhư thế vì nố có tính định hướng tương đối tốt mà kích thước và trọng lượng khônglớn lắm,cấu trúc lại đơn giản, dễ chế tạo

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Sơ đồ của anten Yagi gồm : một chấn tử chủ động (driven element) thường

là chấn tử nửa sóng, một chấn tử phản xạ (reflector) và một số chấn tử dẫn xạ thụđộng (directors) được gắn trực tiếp với thanh đỡ kim loại Nếu chấn tử chủ động làtrấn tử vòng dẹt thì nó cũng có thể gắn trực tiếp với thanh đỡ và kết cấu anten sẽ trởnên đơn giản Việc gắn trực tiếp các chấn tử lên thanh kim loại thực tế sẽ không ảnhhưởng gì đến phân bố dòng điện trên anten vì điểm giữa các chấn tử cũng phù hợpvới nút của điện áp Việc sử dụng thanh đỡ bằng kim loại cũng không ảnh hưởng gìđến bức xạ của anten vì nó được đặt vuông góc với các chấn tử

Để tìm hiểu nguyên lý làm việc của anten ta hãy xét một anten Yagi đơngiản gồm 3 chấn tử : một chấn tử chủ động (A), hai chấn tử thụ động gồm: chấn tửphản xạ (P) và chấn tử dẫn xạ (D) Chấn tử chủ động (A) được nối với máy phát caotần 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 trở thành nguồn bức xạ thứ cấp Như đã biết, nếu chọnđược độ dài của P và khoảng cách từ A đến P một cách thích hợp thì P sẽ trở thànhtrấn tử phản xạ của A Khi ấy năng lượng bức xạ của cặp A – P sẽ giảm yếu về phíachấn tử phản xạ và được tăng cường theo hướng ngược lại (hướng +z) Tương tự nhưvậy, 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 đượctập trung về phía chấn tử dẫn xạ và giảm theo hướng ngược lại (hướng –z) kết quả lànăng lượng bức xạ của cả hệ sẽ được tập trung về một phía, hình thành một kinh dẫnsóng dọc theo trục anten, hướng từ phía chấn tử phản xạ về phía chấn tử dẫn xạ

Theo lý thuyết chấn tử ghép, dòng điện trong chấn tử chủ động (I1) vàdòng điện trong chấn tử thụ động (I2) có quan hệ với nhau bởi biểu thức:

2 1

i

I

ae I

Bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử thụ động, có thể biến đổi độ lớn

Hình 2.2

λ

Hình 1.2-1 Sự phụ thuộc giữa và với X 22

Càng tăng khoảng cách d thì biên độ dòng trong chấn tử thụ động càng giảm.Tính toán cho thấy với d (0,1 0,25) thì khi điện kháng của chấn tử thụ động

mang tính cảm kháng sẽ nhận được I2 sớm pha hơn so với I1 Trong trường hợp nàychấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử phản xạ Ngược lại khi điện kháng của chấn tửthụ động mang tính dung kháng thì dòng I2 sẽ chậm pha so với I1 và chấn tử th ụđộng sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ

Hình 1.2-2 - Phương hướng của cặp chấn tử chủ động và thụ động

Hình 3 vẽ đồ thị phương hướng của cặp chấn tử chủ động và thụ động khi d =

0,1λ

ứng với các trường hợp khác nhau của

22 22

R <

Thì chấn tử thụ động trở thành chấn tử dẫn xạ.Trong thực tế việc thay đổi điện kháng X22 của chấn tử thụ động được thực hiện bằngcách thay đổi độ dài của chấn tử : khi độ dài chấn tử lớn hơn độ dài cộng hưởng sẽ có

X22>0, còn khi độ dài chấn tử nhỏ hơn độ dài cộng hưởng sẽ có X22<0 Vì vậy chấn tử

phản xạ thường có độ dài lớn hơn 2

λcòn chấn tử dẫn xạ thường có độ dài nhỏ hơn

2

λ

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 lại bị chấn tử này làm yếu đáng kể, nếu có thêmmột chấn tử nữa đặt tiếp xúc sau đó thì chấn tử phản xạ thứ hai sẽ được kích thích rấtyếu và do đó nó cũng không phát huy được tác dụng Để tăng cường hơn nữa hiệuquả phản xạ, trong một số trường hợp có thể sử dụng mặt phản xạ kim loại, lưới kimloại, hoặc một tập hợp vài chấn tử đặt ở khoảng cách giống nhau so với trấn tử chủđộng, khoảng cách giữa chấn tử chủ động và chấn tử phản xạ thường được chọn tronggiới hạn (0,15 0,25) λ

.Trong khi đó, số lượng chấn tử dẫn xạ có thể khá nhiều Vì sự bức xạ củaanten dược 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 kênhdẫn sóng 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

Để có hệ số định hướng cực

đại theo hướng bức xạ chính, kích thước của các chấn tử chấn xạ và khoảng cách giữachúng cần được lựa chọn thích đáng sao cho đạt được quan hệ xác định đối với dòngđiện trong các chấn tử Quan hệ tốt nhất cần đạt được với các dòng điện này là tươngđối đồng đều về biên độ,với giá trị gần bằng biên độ dòng điện của chấn tử chủ động,

và chậm dần về pha khi di chuyển dọc theo trục anten, từ chấn tử chủ động về phíacác chấn tử dẫn xạ Khi đạt được quan hệ nói 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 nhỏtheo các hướng khác Thường điều kiện để đạt được cực đại của hệ số định hướng vềphía các chấn tử dẫn xạ cũng phù hợp với điều kiện để đạt được bức xạ cực tiểu vềphía 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 rất mật thiết vớicác kích thước tương đối của anten (kích thước so với bước sóng) nên anten Yagithuộc loại anten dải hẹp Dải tần số của anten, khi hệ số định hướng ở hướng chínhbiến đổi dưới 3 dB, đạt được khoảng vài phần trăm Khi số lượng chấn tử dẫn xạ khálớn, việc điều chỉnh thực nghiệm đối với anten sẽ rất phức tạp vì khi thay đổi độ dàihoặc vị trí của mỗi chấn tử sẽ dẫn đến sự thay đổi biên độ và pha của dòng điện trongtất cả các chấn tử

1.3 Hệ số sóng chậm

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 chậm có vậntốc 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

và tạo thành một cấu trúc sóng chậm (sóng mặt), với hệ số sóng chậm

1

c v

ξ = >

Giả thiết dòng trong các chấn tử có biên độ bằng nhau nhưng lệch pha nhau ∆ψ

Nếu d là khoảng cách giữ hai chấn tử thì hệ số pha của sóng chậm sẽ được xác

khi bán kính của chấn tử

0,01

a

l =

Bảng 2.1 Hệ số sóng chậm ξ

Qua phân tích cũng đã xác nhận rằng nếu kết cấu có độ dài hữu hạn thì sẽ xuấthiện sóng phản xạ ở đầu cuối, với hệ số phản xạ theo công suất không quá 15% Do

sự phản xạ không đáng kể nên có thể coi gần đúng kết cấu hữu hạn gồm các chấn tửdẫn xạ có độ dài bằng nhau và đặt cách đều nhau tương đương với một hệ thốngthẳng liên tục, bức xạ trục Hệ số chậm của sóng trong hệ thống được xác định theobảng 2.1

Với độ dài của anten L Nd=

phụ thuộc của hệ số định hướng với tần số và xác định được dải thông tần 0

f f

∆

màtrong đó hệ số định hướng biến đổi không quá 3 dB

Ta hãy khảo sát một ví dụ: Giả sử cần thực hiện một anten dẫn xạ để làm việctrong dải tần 200 ÷ 10MHz, độ dài anten cho trước là 3m, sao cho sẽ nhận được hệ sốđịnh hướng là cực đại khi số phần tử của anten là ít nhất.

Trường hợp này, độ dài của anten là 0

kl =

( ứng với

21

Hình 1.4-3 - Mô hình anten Yagi

Ta chọn mô hình anten Yagi (như hình 4 ) là một tập hợp các chấn tử nửa sónggiống nhau, chấn tử chủ động A được đặt ở gốc tọa độ Vị trí của các chấn tử thụ

động trên trục z được đặc trưng bởi các tọa độ zn, với n =

1, N

( N là số chấn tửdẫn xạ) và bởi tọa độ zp đối với chấn tử phản xạ

Việc điều chỉnh đối với mỗi chấn tử thụ động sẽ được thực hiện bởi các điệnkháng biến đổi được iXp, iX1, iX2, ,iXn ứng với vị trí cố định của các chấn tử và vớigiá trị của các điện kháng điều chỉnh đã chọn, biên độ phức tạp của dòng điện trongmỗi chấn tử sẽ được xác định khi giải hệ phương trình Kirchhoff đối với hệ (N+2)chấn tử ghép.

Trong đó Rpp, RAA, R11, R22, …,RNN là phần 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 ZpA=ZAp,

Zp1=Z1p, ZA1=Z1A, …,Znk=Zkn có thể được xác định theo công thức của lý thuyết anten( phương pháp sức điện động cảm ứng) hoặc tính theo các bảng cho sẵn Các đạilượng Xp, XA, X1, X2, …,XN là điện kháng toàn phần của chấn tử phản xạ, chấn tử chủđộng và các chấn tử dẫn xạ, trong đó bao gồm điện kháng riêng của mỗi chấn tử vàđiện kháng điều chỉnh đối với mỗi chấn tử nếu có Đại lượng U trong công thức (2.3)

là điện áp đặt ở đầu vào chấn tử chủ động và có thể chọn tùy ý (ví dụ : U=1V)

Theo các trị số dòng điện tìm được khi giải hệ phương trình (2.3) sẽ tính đượchàm phương hướng tổ hợp:

Hình 1.4-4 - Góc θ trong mặt phẳng H và mặt phẳng E

Đối với mặt phẳng H thì (2.4) cũng chính là hàm phương hướng của cả hệ cònđối với mặt phẳng E thì hàm phương hướng của hệ sẽ bằng tích của hàm tổ hợp (2.4)với hàm phương hướng riêng của chấn tử:

1

2 ( )

1.6 Hệ số định hướng

Hệ số tác dụng định hướng của anten ở hướng trục theo công thức:

2 0

R

θ

(2.7)

1.7 Dải thông của anten Yagi

Các anten Yagi phản ứng rất nhạy đối với sự biến đổi của tần số vì nó bao gồmcác yếu tố cộng hưởng Do đó anten Yagi có dải thông hẹp người ta xác định đượcrằng tác dụng của thanh phản xạ đối với trở vào của anten mạnh hơn nhiều đối với tácdụng của thanh dẫn xạ, vì thế nên dùng thanh phản xạ có dải thông rộng Thôngthường để mở rộng dải thông thường dùng thanh phản xạ là chấn tử vòng dẹt hoặc tốthơn là trấn tử vòng dẹt kép, ngoài ra các thanh phản xạ này được cấp nguồn

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN YAGI Ở

DẢI TẦN 430 MHZ 2.1 Tính toán các thông sô

Thiết kế một Yagi antenna, nhỏ gọn, hoạt động ở dải tần 430MHz được ứng dụng trong thu phát truyền hình.

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

λ = = 697mm

(3.1)

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

• N=5 là số chấn tử dẫn xạ, (N= 1,2,…,5 được ký hiệu như hình 3.1) mỗi chấn

tử có chiều dài là Lx

• Một chấn tử phát xạ (chấn tử chủ động) ký hiệu 0, chiều dài Lbx=0.5* λ

• Một chấn tử phản xạ ký hiệu -1, chiều dài Lpx

Chấn tử chủ động dùng làm anten là chấn tử nửa sóng Đối với loại anten này dòng trong chấn tử thụ động được cảm ứng do trường tạo bởi chấn tử chủ động Thường thì độ dài thanh phản xạ được chọn trong giới hạn (0,51 ÷ 0,53) Còn khoảng cách giữa thanh phản xạ và thanh phát xạ được chọn trong giới hạn (0,15÷0,25)λ độ dài thanh dẫn xạ chọn ngắn hơn độ dài của chấn tử chủ động và bằng (0,22÷0,35)λ Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với thanh dẫn xạ đầu tiên cũng như giữa các thanh dẫn xạ với nhau được chọn trong giới hạn (0,1÷0,35)λ Với yêu cầu trên, ta chọn độ dài và khoảng cách của các chấn tử như sau:

Chiều dài của chấn tử phát xạ:

Lbx=(0,5+- 10%) λ=348mm (3.2) Chiều dài của chấn tử phản xạ:

Lpx = 0,53* λ=370mm (3.3) Khoảng cách giữa chấn tử phát xạ và chấn tử phản xạ, chấn tử bức xạ với dẫn xạ:

dx= 0,25* λ = 174 mm (3.4)

Để tăng G của anten ta có 2 phương án:

• Thay đổi khoảng cách giữa các chấn tử

• Thay đổi kích thước của các chấn tử

Trong bài tập lớn này chúng em lựa chọn phương pháp thay đổi chiều dài chấn tử dẫn xạ: với chiều dài chấn tử dẫn xạ giảm dần

L2=0,31 λ=216mm L3=0,29 λ=202mm L4=0,25 λ=174mm L5=0,23 λ=160mm Chiều dài anten là:

L = 6*0.5* λ = 6*0.25*697=2091mm (3.6)

2.2 Mô phỏng anten yagi với HFSS

Các bước và thao tác thực hiện:

2.2.1 Khởi tạo chương trình , tao project

- Khởi động chương trình: Program => Ansoft => HFSS => HFSS

- Tạo project mới:

File=> new một project được tạo tự động

Kick phải chuột vào project=>insert=>Insert HFSS Design ta được như hình vẽ:

2.2.2 Thiết lập các thông số cơ bản cho việc thiết kế.

-Chọn Modeler=>Units=>chọn mm

- HFSS=>Solution Type => xuất hiện bảng như hình vẽ

Chọn Driven Modal đối với dải tần thấp

Thiết kế các thành phần của anten

Sau khi đã có số liệu các thành phần anten ta tiến hành thiết kế

Chọn HFSS=> chọn Design Properties xuất hiện 1 bảng để add các đối tượng cần Design

Ta add các đối tượng với các thông số có sẵn như sau:

Các đối tượng cần thiết kế:

2.2.2.1 Chấn tử bức xạ

lbx=348 mm;

Thiết kế: 1 bên của chấn tử bức xạ

Draw =>Cylinder => Xuất hiện một bảng chứa các thông số

Ta nhập các thông số cho chấn tử bức xạ như hình vẽ:

Tạo bên đối xứng còn lại của chấn tử bức xạ:

Kích phải chuột vào nửa phần tử bức xạ =>Edit=>Duplicate =>AroundAxit

Xuất hiện 1 bảng:

2.2.2.3.2 Chấn tử L2

L2= 216mm

Tương tự ta điều chỉnh các thông số của chấn tử L2 cho phù hợp:

Sau khi thiết kế một số chấn tử ta có hình ảnh:

2.2.2.3.3 Chấn tử L3

L3= 202mm

Tương tự ta điều chỉnh các thông số của chấn tử L3 cho phù hợp:

2.2.2.3.4 Chấn tử L4

L4= 174mm

Tương tự ta điều chỉnh các thông số của chấn tử L4 cho phù hợp:

2.2.2.3.5 Chấn tử L5

L5=160mm

Tương tự ta điều chỉnh các thông số của chấn tử L5 cho phù hợp:

Các chấn tử đều được thiết kế từ cùng một chất liệu đó là nhôm

Ta lựa chọn chất liệu để thiết kế chấn tử như sau

Kích đúp vào tên chấn tử trên project xuất hiện 1 bảng:

Trong mục: Material=> chọn “pec”_Nhôm

Hình ảnh sau khi thiết kế xong những chấn tử của anten:

2.2.2.4 Phần tử tiếp điện

Chọn Draw =>Rectangle => xuất hiện bảng:

2.2.2.5 Tiếp điện

Kích phải chuột vào phần tử tiếp điện

Chọn Assign Exitation => Lumped Pert xuất hiện bảng