thiết kế anten yagi bằng phần mềm HFSS

Anten Yagi là loại anten định hướng rất phổ biến bởi vì chúng dễ chế tạo. Các anten định hướng như Yagi 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 omnidirectional. Anten Yagi hay còn gọi là anten YagiUda (do 2 người Nhật là Hidetsugu Yagi và Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926) được biết đến như là một anten định hướng cao được sử dụng trong truyền thông không dây. Loại anten này thường được sử dụng cho mô hình điểm điểm và đôi khi cũng dùng trong mô hình điểmđa điểm. Anten YagiUda được xây dựng bằng cách hình thành một chuỗi tuyến tính các anten dipole song song nhau 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 biến như thế vì nố có tính định hướng tương đối tốt mà kích thước và trọng lượng không lớn lắm,cấu trúc lại đơn giản, dễ chế tạo.

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĂNG TEN YAGI 3

1.1 Giới thiệu về anten Yagi 3

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 3

1.3 Hệ số sóng chậm 7

1.4 Đặc trưng hướng 9

1.5 Trở kháng vào của chấn tử chủ động 11

1.6 Hệ số định hướng 11

1.7 Dải thông của anten Yagi 12

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN YAGI Ở DẢI TẦN 430 MHZ 13

2.1 Tính toán các thông số 13

2.2 Mô phỏng anten yagi với HFSS 15

2.2.1 Khởi tạo chương trình , tao project 15

2.2.2 Thiết lập các thông số cơ bản cho việc thiết kế 16

2.2.3 Xuất kết quả mô phỏng: 34

KẾT LUẬN 36

Em xin chân thành cảm ơn ! 37

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 Các anten định hướng như Yagi 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 omni-directional Anten Yagi hay còn gọi là anten Yagi-Uda (do 2 người Nhật là Hidetsugu Yagi và Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926) được biết đến như là một anten định hướng cao được sử dụng trong truyền thông không dây Loại anten này thường được sử dụng cho mô hình điểm- điểm và đôi khi cũng dùng trong mô hình điểm-đa điểm Anten Yagi-Uda được xây dựng bằng cách hình thành một chuỗi tuyến tính các anten dipole song song nhau

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 biến như thế vì nố có tính định hướng tương đối tốt mà kích thước và trọng lượng không lớn 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 thụ động (directors) được gắn trực tiếp với thanh đỡ kim loại Nếu chấn tử chủ động là trấn tử vòng dẹt thì nó cũng có thể gắn trực tiếp với thanh đỡ và kết cấu anten sẽ trở nên đơn giản Việc gắn trực tiếp các chấn tử lên thanh kim loại thực tế sẽ không ảnh hưởng gì đến phân bố dòng điện trên anten vì điểm giữa các chấn tử cũng phù hợp với nút của điện áp Việc sử dụng thanh đỡ bằng kim loại cũng không ảnh hưởng gì đến 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 đơn giản gồm 3 chấn tử : một chấn tử chủ động (A), hai chấn tử thụ động gồm: chấn tử phản xạ (P) và chấn tử dẫn xạ (D) Chấn tử chủ động (A) 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 trở thành nguồn bức xạ thứ cấp Như đã biết, nếu chọn được độ dài của P và khoảng cách từ A đến P một cách thích hợp thì P sẽ trở thành trấn tử phản xạ của A Khi ấy năng lượng bức xạ của cặp A – P sẽ giảm yếu về phía chấn tử phản xạ và được tăng cường theo hướng ngược lại (hướng +z) Tương tự như vậy, 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 theo hướng ngược lại (hướng –z) kết quả là năng lượng bức xạ của cả hệ sẽ được tập trung về một phía, hình thành một kinh dẫn sóng 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) và dòng 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

và dấu của điện kháng riêng X22 và do đó sẽ biến đổi được a và  Hình 2.2

biểu thị quan hệ của và với X22 đối với trường hơp chấn tử có độ dài xấp xỉ nửa bước sóng và ứng với khoảng cách d =

4



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 này chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử phản xạ Ngược lại khi điện kháng của chấn tử thụ động mang tính dung kháng thì dòng I2 sẽ chậm pha so với I1 và chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ

1.2-2 - P ươ g ướng 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 =

0,1 ứng với các trường hợp khác nhau của 22

Còn khi 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 bằng cách 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

còn chấn tử dẫn xạ thường có độ dài nhỏ hơn

2



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 thêm một chấn tử nữa đặt tiếp xúc sau đó thì chấn tử phản xạ thứ hai sẽ được kích thích rất yếu và do đó nó 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, hoặc một tập hợp vài chấn tử đặt ở khoảng cách giống nhau so với trấn tử chủ động, khoảng cách giữa chấn tử chủ động và chấn tử phản xạ thường được chọn trong giới hạn (0,15 0,25) 

Trong khi đó, số lượng chấn tử dẫn xạ có thể khá nhiều Vì sự bức xạ của anten 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 kênh dẫn 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) Để có hệ số định hướng cực đại theo hướng bức xạ chính, kích thước của các chấn tử chấn xạ và khoảng cách giữa chúng cần được lựa chọn thích đáng sao cho đạt được quan hệ xác định đối với dòng điện trong các chấn tử Quan hệ tốt nhất cần đạt được với các dòng điện này là tương đối 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 phía các 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 nhỏ theo các hướng khác Thường điều kiện để đạt được cực đại của hệ số định hướng về phía

các chấn tử dẫn xạ cũng phù hợp với điều kiện để đạt được bức xạ cực tiểu về phía 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 với các kích thước tương đối của anten (kích thước so với bước sóng) nên anten Yagi thuộc loại anten dải hẹp Dải tần số của anten, khi hệ số định hướng ở hướng chính biến đổi dưới 3 dB, đạt được khoảng vài phần trăm Khi số lượng chấn tử dẫn xạ khá lớn, việc điều chỉnh thực nghiệm đối với anten sẽ rất phức tạp vì khi thay đổi độ dài hoặc vị trí của mỗi chấn tử sẽ dẫn đến sự thay đổi biên độ và pha của dòng điện trong tất 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 vận tốc 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 c 1

v

  

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

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

Hệ số sóng chậm  phụ thuộc vào độ dài l của các chấn tử và khoảng cách

d giữa chúng Bảng 2.1 dẫn ra các giá trị của hệ số sóng chậm  ứng với các độ dài

khác nhau của chấn tử, tính theo ba thông số d

l khi bán kính của chấn tử 0, 01

a

l 

Với độ dài của anten LNd đã biết, có thể xác định được hệ số chậm tốt nhất (ứng với bước sóng công tác trung bình 0) theo công thức:

0

12

opt

L



Sau đó, áp dụng công thức của lý thuyết anten sóng chậm có thể tính được sự

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

0

f f



mà trong 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 việc trong dải tần 200 ÷ 10MHz, độ dài anten cho trước là 3m, sao cho sẽ nhận được hệ số định hướng là cực đại khi số phần tử của anten là ít nhất

Trường hợp này, độ dài của anten là L / 0= 2 và dải thông tần yêu cầu bằng 10% Ta cần chọn thông số d l/ 0, 5để nhận được hệ số định hướng gần bằng 12dB Đồng thời, với độ dài anten đã cho sẽ tính được hệ số sóng chậm tốt nhất

1.4-1 - Mô hình anten Yagi

Ta chọn mô hình anten Yagi (như hình 4 ) là một tập hợp các chấn tử nửa sóng giống 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 tử

dẫn 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 điện kháng biến đổi được iXp, iX1, iX2, ,iXn ứng với vị trí cố định của các chấn tử và với giá trị của các điện kháng điều chỉnh đã chọn, biên độ phức tạp của dòng điện trong mỗi chấn tử sẽ được xác định khi giải hệ phương trình Kirchhoff đối với hệ (N+2) chấn tử ghép

và điện 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 được hàm phương hướng tổ hợp:

1.4-2 - Góc θ tro g mặt phẳng H và mặt phẳng E

Đối với mặt phẳng H thì (2.4) cũng chính là hàm phương hướng của cả hệ còn

đối 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 ( )

R



      (2.7) trong đó :

1.6-1- Sự phụ thuộc của hệ số A vào  L

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 gồm các yếu tố cộng hưởng Do đó anten Yagi có dải thông hẹp người ta xác định được rằng tác dụng của thanh phản xạ đối với trở vào của anten mạnh hơn nhiều đối với tác dụng của thanh dẫn xạ, vì thế nên dùng thanh phản xạ có dải thông rộng Thông thường để mở rộng dải thông thường dùng thanh phản xạ là chấn tử vòng dẹt hoặc tốt hơn 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:

• 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 nhƣ 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 tƣợng

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 nhƣ 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

Chọn Next=> xuất hiện bảng=> chọn newline =>ok

Ta kéo dây nối 2 bên của chấn tử bức xạ lại=> xuất hiện bảng => nhập điện trở tiếp điện 75 ohm =>Finish

2.2.2.6 Tạo không gian bức xạ

Vẽ khối hộp :

Draw =>box => chọn vật liệu là air;

Thông số cho không gian bức xạ:

Sau khi vẽ đƣợc không gian bức xạ:

Chuột phải vào khung =>Select Face=> chọn 6 mặt khối không gian bức xạ

Kích phải khối=>Assign Boundary =>Radiotion

Giới hạn vùng bức xạ:

Chọn HFSS=>Radiation =>insertFar Field Setup =>infinite Sphere