Bài tiểu luận anten nhiều chấn tử PTIT

Ăng ten được phân loại theo nhiều cách khác nhau theo các tiêu chí sử dụng khác nhau trong đó Anten chấn tử là loại anten đơn giản sử dụng chấn tử làm phần tử bức xạ trực tiếp sóng điện

KHOA VIỄN THÔNG I

BÀI TIỂU LUẬN

TRUYỀN SÓNG VÀ ĂNG TEN

Đề Tài: Ăng Ten Nhiều Chấn Tử Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Nhóm 1

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghệ phát triển mạnh mẽ như hiện nay, ăng ten là một linh kiện không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin vô tuyến điện Ăng ten được phân loại theo nhiều cách khác nhau theo các tiêu chí sử dụng khác nhau trong đó

Anten chấn tử là loại anten đơn giản sử dụng chấn tử làm phần tử bức xạ trực tiếp sóng điện từ Để Anten có đồ thì bức xạ với tính hướng tốt hơn thì người ta kết hợp nhiều chấn tử tạo thàn dàn chấn tử hay còn gọi là angten nhiều chấn tử

Trong bài báo cáo này , nhóm chúng em xin được phân công tìm hiểu về một số loại Anten nhiều chấn tử được sử dụng khá phố biến trong thực tế hiện nay Sau thời gian tham khảo giáo trình cũng như tìm hiểu trên mạng, cùng với sự đóng góp tích cực của tất cả các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành bài báo cáo và trình bày thành 4 phần

Phần I: Dàn chấn tử đồng pha

Phần II: Anten Yagi-Huda

Phần III: Anten Loga chu kì

Phần IV: Tính toán thiết kế Anten Yagi

Mặc dù nhóm đã rất cố gắng song vẫn không tránh khỏi một số thiếu sót Nhóm rất mong thầy và các bạn đóng góp ý kiến để hoàn thiện hơn báo cáo này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Mục Lục

DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Dàn chấn tử đồng pha………5

Hình 1.2: Đồ thị phương hướng của dàn chấn tử đồng pha……… 6

Hình 2.1 Cấu trúc Anten Yagi………7

Hình 2.2 Anten Yagi trong thực tế……….7

Hình 2.3 Cấu tạo 3 chấn tử chính trong Anten Yagi……….8

Hình 3.1 Anten Loga chu kỳ trong thực tế……….11

I. DÀN CHẤN TỬ ĐỒNG PHA

1.1. Cấu tạo

Trong nhiều trường hợp thông tin vô tuyến, năng lượng bức xạ cần được tập trung tối đa về một phía Điều đó có nghĩa là anten cần có đồ thị phương hướng đảm bảo tập trung năng lương trong búp sóng chính hẹp và giảm tối thiều của các bức xạ nằm ngoài búp chính Có thể thực hiện được dạng đồ thị này bằng một dàn chấn tử

Anten bao gồm các chấn tử nửa sóng được sắp xếp thành hàng và cột trong mặt phẳng với khoảng cách giữa các chấn tử bằng nửa bước sóng công tác theo phương thẳng đứng và theo phương nằm ngang Số chấn tử dùng trong các hàng và cột thường chẵn Để tiếp điện đồng pha cho các chấn tử có thể sử dụng sơ đồ mắc liên tiếp, đường dây fiđơ bắt chéo hoặc mắc song song từng cấp

Hình 1.3 Dàn chấn tử đồng pha

1.2. Đặc điểm làm việc

Dàn chấn tử đồng pha thường được sử dụng trong thực tế ở dải sóng ngắn và sóng cực ngắn

Đặc tính bức xạ Dàn chấn tử đồng pha có hướng bức xạ cực đại theo hướng vuông góc với với mặt phẳng của dàn

Đồ thị phương hướng : trường bức xạ là mặt phẳng song song với mặt đất và chứa các chấn tử bức xạ

Dàn chấn tử đồng pha có đồ thị phương hướng tổng hợp giống như đồ thị phương hướng của chấn tử nửa sóng nhưng do tập hợp nhiều chấn tử nửa sóng có pha giống nhau nên đồ thị phương hướng có búp sóng chính hẹp hơn nhiều và hệ số hướng tính lớn hơn nhiều so với chấn tử nửa sóng đơn

Hình 1.4: Đồ thị phương hướng của dàn chấn tử đồng pha

Tiếp điện

Việc tiếp điện cho các chấn tử được thực hiện như hình 1.1 Do khoảng cách giữa

2 tầng chấn tử bằng λ/2 nên dòng điện sẽ đổi chiều khi đi qua đoạn fide nối giữa 2 tầng, do đó ta phải bắt chéo đường dây fide để bù lại sự biến đổi pha 180o khoảng cách - Dàn chấn tử đối xứng nên ta phải tiếp điện đối xứng để tiếp điện đối xứng cho dàn chấn tử ta có thể dùng đường dây song hành Trở kháng vào của chấn tử nửa sóng

là khoảng 73Ω trong khi trở kháng của dây song hành có giá trị vào khoảng 200 đến 600Ω, vì vậy khi tiếp điện cho dàn chấn tử bằng dây song hành ta phải tiến hành phối hợp trở kháng - Ngoài ra ta có thể tiếp điện cho dàn chấn tử đồng pha bằng cáp đồng trục Để đảm bảo tiếp điện đối xứng cho dàn chấn tử đồng pha, chúng ta có thể sử dụng các thiết bị biến đổi đối xứng như thiết bị biến đổi đối xứng hình chữ U như trong hình vẽ dưới đây

II. ANTEN YAGI

II.1. Giới thiệu về Anten Yagi

Anten Yagi là loại anten định hướng rất phổ biến bở vì chúng rất 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 do 2 người Nhật là Hidetsugu Yagi và Shintaro Uda chế tạo vào năm 1926 được biết đến như là một loại 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 được xây dụng bằng cách hình thành một chuỗi tuyến tính các anten dipole song song nhau

Đây là loại anten đang được sử dụng rộng rãi ở băng sóng ngắn cũng như băng sóng cực ngắn Hoạt động của anten này có nhiều ưu điểm về thông số điện, đơn giản

về cấu trúc, rất thích hợp với các loại máy thu truyền hình gia đình

II.2. Cấu trúc của Anten Yagi

Hình 2.1 Cấu trúc Anten Yagi

- Phần tử chủ động (chấn tử được cấp nguồn): thương là chấn tử vòng nửa dẹt sóng ( l> ) nối tắt 2 đầu của chấn tử Một chán tử được cấp nguồn, chấn tử còn lại nối tắt Trở kháng vào của chấn tử ( = 300)

- Các chấn tử thụ động: gồm chấn tử phản xạ (1 chấn tử) và nhiều chấn tử dẫn xạ (nhiều chấn tử)

- Các chấn tử được đặt song song với nhau trên một mặt phẳng

Hình 2.2 Anten Yagi trong thực tế

II.3. Nguyên lý hoạt động

Hình 2.3 Cấu tạo 3 chấn tử chính trong Anten Yagi

- Một Anten Yagi gồm 3 chấn tử: chấn tử chủ động A, chấn tử phản xạ P và chấn

tử hướng xạ D

- Chấn tử A được nối với máy phát cao tần và bức xạ song điện từ , dưới tác dụng của trường bức xạ này trong P và D xuất hiện dòng cảm ứng và sinh ra bức xạ thứ cấp

o 2l > : < 0, tính cảm, I sớm pha hơn Chấn tử phản xạ và d =

o 2l < : > 0, tính dung, I chậm pha hơn Chấn tử hướng xạ và d =

- Chiều dài và khoảng cách các chấn tử được chọn thích hợp sao cho: (P-A-D)

o P trở thành chấn tử phản xạ của A

o D trở thành chấn tử dẫn xạ của A

o Năng lượng bức xạ của cả ba chấn tử sẽ tập trung về một phía

- Quan hệ dòng điện trong chấn tử chủ động và chấn tử chủ động :

= a (2.1)

Với a = và = + arctag - arctag

II.4. Vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng

Đối với Anten Yagi, việc phối hợp trở kháng phụ thuộc trực tiếp và 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

Giả sử Anten chữ U và có = 75 Ta có hình vẽ:

- Ta có: từ điểm tiếp điện C đến (1) và (2) lệch một đoạn = Dòng điện tải (1), (2) ngược pha nhau thỏa mãn tính chất đối xứng pha Biên độ và đều bằng nhau vì đều là dòng lõi

- Trở kháng: = = = 75

- Điểm O nằm trên mặt đẳng thế của vỏ cap: = = =

= = = = 150

- Khảo sát từ C-(1): = + Khi đó một đoạn l = ta có = không phụ thuộc vào == 150

= 75

Đối chiếu đường dây tiếp điện 75

Có phối hớp trở kháng Phối hợp trở kháng cho Anten chữ U

II.5. Tính đặc trưng hướng

Anten Yagi có thể coi như một hệ tuyến tính gồm các nguồn rời rạc Anten thường được đặt ở độ cao bằng một số làn chiều dài bước song 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 định bằng công thức:

f (,) = (2.2)

Trong đó: + : thừa số xác định đặc trưng của một chấn tử

Trong mặt phẳng E: =

Trong mặt phẳng H: = 1

+: thừa số của hệ: =

Với : biên độ dòng trên chấn tử j

: biên độ dòng trên chấn tử chủ động

: pha của dòng trên chấn tử j

: khoảng cách từ chấn tử j đến chấn tử 0

+: thừa số ảnh hưởng của đất (trong mặt phẳng H)

= sin(.h.sin) với h: độ cao Anten

- Đặc trưng chuẩn hóa trong mặt phẳng E

F(,) = (2.3)

- Đặc trưng chuẩn hóa trong mặt phẳng H

Không xét đến ảnh hưởng của đất:

F(,) = (2.4)

Xét đến ảnh hưởng của đất

F(,) = (2.5)

III. ĂNG TEN LOGA CHU KỲ

III.1. Cấu tạo

Phát minh bởi Dwight E Isbell(1929- 2011), Raymond DuHamel, người đã xuất bản một bài báo vào năm 1957 sau đó các biến thể bổ sung được thực hiện bởi Paul Mayes Khái niệm ăng-ten chu kỳ được đăng ký bởi Đại học Illinois ở Mỹ

Anten loga-chu kỳ được cấu tạo từ nhiều chấn tử có độ dài khác nhau, đặt ở khoảng cách khác nhau và được đặt song song trong một mặt phẳng.Anten được tiếp điện bằng fi đơ đói xứng hay cáp đồng trục

Hình 3.1 Anten Loga chu kỳ trong thực tế

Kích thước và khoảng cách của các chấn tử biến đổi dần theo một tỷ lệ nhất định

Hệ số tỷ lệ này được gọi là chu kỳ của anten, và được xác định bới:

( 3.1) Trong đó d là khoảng cách giữa các chấn tử còn l là chiều dài chấn tử

III.2. Nguyên lý làm việc

Đặc tính của anten loga chu kỳ được xác định bởi hai thông số chủ yếu là: chu kỳ

và góc mở

Nếu máy phát làm việc ở một tần số nào đó, thì chấn tử có chiều dài bằng và bằng /2 sẽ là chấn tử cộng hưởng và trở kháng vào của chấn tử đó sẽ là thuần trở và bằng 73,1 Trong đó trở kháng vào của các chấn tử khác sẽ có thành phần điện kháng

và giá trị của thành phần này càng lớn khi độ dài của nó càng khác nhiều với độ dài của chấn tử cộng hưởng, nghĩa à khi chấn tử ấy càng xa chấn tử cộng hưởng Vì vậy chấn tử cộng hưởng được kích thích mạnh nhất

Vì dòng điện trong các chấn tử không cộng hưởng có giá trị nhỏ, nên trường bức

xạ của anten được quyết định chủ yếu bởi bức xạ của chấn tử cộng hưởng và một vài chấn tử lân cận với nó Những chấn tử này tạo thành miền bức xạ của anten Dòng điện trong cá chấn tử của miền bức xạ được hình thành do cảm ứng trường của chấn tử cộng hưởng và nhận trực tiếp từ fi đơ Các chấn tử nằm ở phía trước có độ dài nhỏ hơn

độ dài cộng hưởng do đó trở kháng vào mang tính dung kháng, dòng điện cảm ứng trong nó chậm pha hơn so với dòng trong chấn tử cộng hưởng

Đối với dòng điện cấp từ fi đơ, do cách tiếp tiện chéo nên pha của dòng trog hai chấn tử kề nhau lệch pha 180 cộng với góc lệch pha do truyền sóng trên đoạn fi đơ mắc giữa hai chấn tử Tập hợp tất cả yếu tố trên, sẽ nhận được dòng tổng hợp trong các chấn tử của miền bức xạ có góc pha giảm dần theo chiều giảm kích thước của anten

Với quan hệ pha như trên, các chấn tử đứng phía trước chấn tử cộng hưởng sẽ thỏa mãn điều kiện chấn tử hướng xạ, còn chấn tử phía sau sẽ thỏa mãn điều kiện chấn

tử phản xạ Bức xạ của anten sẽ được định hướng theo trục anten về phía chấn tử ngắn, tương tự anten Yagi

Nếu anten làm việc ở tần số , nghĩa là ở bước sóng dài hơn, lúc đó chấn tử cộng hưởng sẽ dịch chuyển sang chấn tử có độ dài lớn hơn kế đó Ngược lại nếu anten công tác ở tần số cao hơn và bằng , nghĩa là ở bước sóng ngắn hơn, thì chấn tử cộng hưởng

sẽ chuyển sang chấn tử có chiều dài ngắn hơn chấn tử kề nó

Ví dụ khi công tác ở tần số , thì chấn tử cộng hưởng là chấn tử có chiều dài ,

tương ứng với / 2 Nếu tần số công tác giảm xuống là = , suy ra = / thì chấn tử cộng hưởng bây giờ có độ dài bằng = /2 = /2 Từ đó suy ra ở các tần số:

Sẽ có các chẩn tử cộng hưởng tương ứng với các độ dài:

(3.3)

Trong đó n là số thứ tự của chấn tử

fn là tần số cộng hưởng của chấn tử thứ n

ln là độ dài của chấn tử cộng hưởng thứ n

Nghĩa là khi anten công tác ở một tần số cho bởi công thức (3.2) , trên anten sẽ xuất hiện một miền bức xạ mà chấn tử phát xạ chính có độ dài xác định theo công thức (3.3)

Như vậy miền bức xạ trên anten logarit chu kỳ sẽ dịch chuyển khi tần số cong tác thay đổi, nhưng hướng bức xạ cực đại của anten vẫn giữ nguyên Nếu lấy logarit biểu thức ta nhận được:

ln + ln (3.4)

Nghĩa là khi biểu thị tần số theo logarit thì tần số cộng hưởng của anten sẽ thay đổi một lượng bằng ln Vì vậy anten được gọi là anten logarit chu kỳ

III.3. Đặc trưng tính hướng

Đồ thị phương hướng của anten được xác định bởi số chấn tử của miền bức xạ tác dụng ( thường vào khoảng từ 3 – 5) và bởi tương quan biên độ và pha của dòng điện trong các chấn tử ấy Các đại lượng này phụ thuộc vào thông số hình học chu kỳ

và góc mở anten

Khi tăng và cố định , đồ thị có phương hướng hẹp lại vì lúc đó sẽ tăng số chấn

tử của miền bức xạ tác dụng lại giảm do các chấn tử quá gần nhau Khi giảm , cố định đến một giới hạn nhất định đồ thị phương hướng sẽ hẹp lại vì khi ấy khoảng cách giữa các chấn tử tại ăng ten tăng lên và do đó tăng kích thước của miền bức xạ tác dụng

max = 0.95

2

2

min = 10 độ

Bảng 1: Hệ số tính hướng theo

IV. TÍNH TOÀN THIẾT KẾ ANTEN YAGI

Angten Yagi

Tính toán thiết kế angten Yagi có tần số 4GHz với 1 chấn tử phản xạ, và 4 chấn tử dẫn xạ

- Bước sóng:

=== 0.075 m

- Đường kính:

D= = 0.00125 m

- Chiều dài chấn tử chủ động:

Lcd=0.48*λ=0.48*0.075=0.036 m

- Khoảng cách giữa 2 chấn tử đối xứng

G= = 0.005 m

- Chiều dài chấn tử phản xạ:

Lpx>=0.0375 (ta chọn 0.039)

- Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với chấn sử phản xạ:

S= = 0.075/4= 0.01875 m

- Khoảng cách giữa các chấn tử dẫn sóng

S1= S + 0.14*

S2= S1+0.15*

S3= S2+0.18*

S4=S3+0.20*

- Chiều dài chấn tử:

- Độ định hướng theo lý thuyết: D=3.28*N=3.28*4=13.12 ( dBi )

KẾT LUẬN

Qua việc đi sâu vào tìm hiểu Các loại ăng ten nhiều chấn tử phổ biến hiện này nhóm em rút ra được hai kết luận sau đây

Ăng-ten Yagi được thiết kế để hoạt động trong một dải tần số rất hẹp với độ lợi

cao hơn Đó là một ăng-ten băng thông hẹp

Ăng ten Loga chu kỳ được thiết kế để hoạt động ở một dải tần số rộng với độ lợi

thấp hơn Đó là ăng-ten băng thông rộng.

Tài liệu tham khảo

[1] Bài giảng truyền sóng và anten - Ts Đặng Thế Ngọc,ThS Nguyễn Viết Minh-2013

[2]https://www.slideshare.net/TheGaru/bo-co-bi-tp-ln-thit-k-anten-yagi?

fbclid=IwAR0-1xSdmVDE0Rwaz5roJHbwvAUAWbxUYCbg_FVsQn-tINQfr6AutolQKuA