Anten ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI ANTEN YaGI
TỔNG QUAN VỀ ANTEN YAGI
Giới thiệu về anten Yagi
Anten Yagi, hay còn gọi là anten Yagi-Uda, là loại anten định hướng phổ biến nhờ vào tính dễ chế tạo và khả năng phủ sóng hiệu quả Chúng thường được sử dụng trong những khu vực khó khăn về tín hiệu hoặc khi cần vùng bao phủ lớn hơn so với anten omni-directional Được phát triển bởi hai nhà khoa học Nhật Bản, Hidetsugu Yagi và Shintaro Uda vào năm 1926, anten này nổi bật trong lĩnh vực truyền thông không dây Anten Yagi-Uda được cấu tạo từ một chuỗi tuyến tính các anten dipole song song, phù hợp cho mô hình kết nối điểm-điểm và đôi khi là điểm-đa điểm.
Anten Yagi là một thiết bị phổ biến trong lĩnh vực vô tuyến truyền hình, các tuyến thông tin chuyển tiếp và đài radar sóng mét Sự phổ biến của anten này đến từ tính định hướng tốt, kích thước và trọng lượng nhẹ, cùng với cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo.
Cấu tạo
Anten Yagi bao gồm một chấn tử chủ động, thường là chấn tử nửa sóng, một chấn tử phản xạ và một số chấn tử dẫn xạ thụ động gắn trực tiếp với thanh đỡ kim loại Nếu chấn tử chủ động là trấn tử vòng dẹt, nó có thể được gắn trực tiếp với thanh đỡ, làm cho cấu trúc anten trở nên đơn giản hơn Việc gắn trực tiếp các chấn tử lên thanh kim loại không ảnh hưởng đến phân bố dòng điện, vì điểm giữa các chấn tử phù hợp với nút điện áp Ngoài ra, thanh đỡ kim loại cũng không ảnh hưởng đến bức xạ của anten, vì nó được đặt vuông góc với các chấn tử.
Hình 2.1: Mô hình Anten Yagi
Nguyên lí hoạt động
Anten Yagi là một thiết bị đơn giản gồm ba chấn tử: một chấn tử chủ động (A) và hai chấn tử thụ động (P và D) Chấn tử chủ động được kết nối với máy phát cao tần, tạo ra trường bức xạ mà trong đó chấn tử phản xạ (P) và chấn tử dẫn xạ (D) sẽ phát sinh dòng cảm ứng, trở thành nguồn bức xạ thứ cấp Khi chọn độ dài và khoảng cách giữa A và P phù hợp, P sẽ hoạt động như một chấn tử phản xạ, giúp tăng cường năng lượng bức xạ theo hướng ngược lại Tương tự, nếu D được điều chỉnh đúng cách, nó sẽ hoạt động như chấn tử dẫn xạ, tập trung năng lượng bức xạ về phía nó Kết quả là năng lượng bức xạ sẽ được tập trung về một phía, tạo ra một kinh dẫn sóng dọc theo trục anten từ chấn tử phản xạ đến chấn tử dẫn xạ Theo lý thuyết chấn tử ghép, có mối quan hệ giữa dòng điện trong chấn tử chủ động và thụ động.
Bằng cách điều chỉnh độ dài của chấn tử thụ động, chúng ta có thể thay đổi điện kháng riêng, từ đó ảnh hưởng đến các thông số a và ϕ Hình 2.2 minh họa mối quan hệ giữa a và ϕ với X22 trong trường hợp chấn tử có độ dài khoảng nửa bước sóng, tương ứng với khoảng cách d = λ/4.
Khoảng cách d giữa các chấn tử thụ động ảnh hưởng đến biên độ dòng điện, với việc biên độ giảm khi khoảng cách tăng Cụ thể, khi d nằm trong khoảng (0,1 ÷ 0,25), điện kháng mang tính cảm kháng sẽ làm cho dòng I2 sớm pha hơn I1, khiến chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ Ngược lại, nếu điện kháng mang tính dung kháng, dòng I2 sẽ chậm pha so với I1, dẫn đến việc chấn tử thụ động trở thành chấn tử dẫn xạ.
1.2-2 – Phương hướng của cặp chấn tử chủ động và thụ động
Hình 2 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 22 ar X ctg R Từ hình vẽ ta thấy : Khi
22 22 ar X ctg R > 0 thì chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ.
Khi điện kháng X22 của chấn tử thụ động nhỏ hơn 0, chấn tử này trở thành chấn tử dẫn xạ Thực tế cho thấy rằng nếu độ dài chấn tử lớn hơn độ dài cộng hưởng, X22 sẽ lớn hơn 0, và ngược lại, nếu độ dài chấn tử nhỏ hơn độ dài cộng hưởng, X22 sẽ nhỏ hơn 0 Do đó, chấn tử phản xạ thường có độ dài lớn hơn 2 λ, trong khi chấn tử dẫn xạ có độ dài nhỏ hơn 2 λ Thông thường, mỗi anten Yagi chỉ sử dụng một chấn tử phản xạ để giảm thiểu trường bức xạ ngược lại Nếu có thêm chấn tử phản xạ thứ hai, nó sẽ bị kích thích yếu và không hiệu quả Để nâng cao hiệu quả phản xạ, có thể sử dụng mặt phản xạ kim loại, lưới kim loại, hoặc một nhóm chấn tử đặt cách đều nhau so với chấn tử chủ động, với khoảng cách giữa chúng thường trong giới hạn (0,15 - 0,25) λ.
Số lượng chấn tử dẫn xạ trong anten có thể khá đa dạng, từ 2 đến vài chục, với cường độ kích thích mạnh do bức xạ của anten hướng về phía các chấn tử này Khi số lượng chấn tử dẫn xạ đủ lớn, chúng sẽ tạo thành một kênh dẫn sóng Khoảng cách giữa chấn tử chủ động và chấn tử dẫn xạ đầu tiên, cũng như giữa các chấn tử dẫn xạ, thường nằm trong khoảng (0,1 - 0,35)λ Để đạt được hệ số định hướng cực đại, kích thước và khoảng cách giữa các chấn tử cần được lựa chọn sao cho dòng điện trong các chấn tử tương đối đồng đều về biên độ và giảm dần về pha Khi thiết lập mối quan hệ này, trường bức xạ tổng sẽ được tăng cường theo hướng của các chấn tử dẫn xạ và giảm theo các hướng khác Điều kiện đạt cực đại hệ số định hướng cũng phù hợp với điều kiện để đạt bức xạ cực tiểu về phía các chấn tử phản xạ, dẫn đến việc anten trở thành đơn hướng Anten Yagi, với đặc tính bức xạ liên quan mật thiết đến kích thước tương đối so với bước sóng, thuộc loại anten dải hẹp, với dải tần số khi hệ số định hướng biến đổi dưới 3 dB đạt khoảng vài phần trăm Tuy nhiên, khi số lượng chấn tử dẫn xạ lớn, việc điều chỉnh anten sẽ trở nên phức tạp do sự thay đổi độ dài hoặc vị trí của mỗi chấn tử ảnh hưởng đến biên độ và pha của dòng điện trong tất cả các chấn tử.
Hệ số sóng chậm
Việc xác định kích thước và thông số anten có thể thực hiện theo phương pháp lý thuyết anten sóng chậm, trong đó anten sóng chậm có vận tốc pha thấp hơn vận tốc ánh sáng Giả định rằng các chấn tử dẫn xạ có độ dài bằng nhau và gần bằng một nửa bước sóng, chúng được bố trí cách điện đều dọc theo trục, tạo thành cấu trúc sóng chậm với hệ số sóng chậm c 1 ξ = > v.
Trong một hệ thống có hai chấn tử với biên độ bằng nhau nhưng lệch pha ∆ψ, khoảng cách giữa chúng được ký hiệu là d Hệ số pha của sóng chậm sẽ được xác định theo công thức d γ = ∆ψ.
Ta có hệ số sóng chậm bằng: c v k kd γ ψ ξ = = = ∆
Hệ số sóng chậm ξ được xác định bởi độ dài l của các chấn tử và khoảng cách d giữa chúng Bảng 2.1 cung cấp các giá trị của hệ số sóng chậm ξ tương ứng với các độ dài chấn tử khác nhau, dựa trên ba thông số d và l khi bán kính của chấn tử a là 0,01 l.
Bảng 1.1 Hệ số sóng chậm ξ
Phân tích cho thấy rằng trong kết cấu có độ dài hữu hạn, sóng phản xạ xuất hiện ở đầu cuối với hệ số phản xạ theo công suất tối đa là 15% Do mức độ phản xạ không đáng kể, kết cấu hữu hạn có thể được coi như một hệ thống thẳng liên tục với các chấn tử dẫn xạ có độ dài và khoảng cách đều nhau Hệ số chậm của sóng trong hệ thống được xác định theo bảng 2.1.
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 λ 0 ) theo công thức:
Áp dụng công thức của lý thuyết anten sóng chậm cho phép tính toán sự phụ thuộc của hệ số định hướng vào tần số, từ đó xác định được dải thông tần từ 0 đến f.
∆ mà trong đó hệ số định hướng biến đổi không quá 3 dB
Trong ví dụ này, chúng ta sẽ khảo sát việc thiết kế một anten dẫn xạ hoạt động trong dải tần từ 200 đến 10 MHz Độ dài của anten được xác định là 3m, với mục tiêu đạt được hệ số định hướng tối đa khi số lượng phần tử của anten là ít nhất.
Trường hợp này, độ dài của anten là L / λ 0 = 2 và dải thông tần yêu cầu bằng 10%.
Để đạt được hệ số định hướng gần bằng 12dB, ta cần chọn thông số d l = 0,5 Với độ dài anten đã cho, hệ số sóng chậm tối ưu được tính toán là ξ opt = 1,25.
2.1 sẽ xác định được độ dài chấn tử 1,3
2 l = =d λ và số chấn tử của anten bằng 10 ( trong đó có một chấn tử phản xạ, một chấn tử chủ động và 8 chấn tử dẫn xạ ).
Đặc trưng hướng
Hình 1.3-3 - Mô hình anten Yagi
Chúng tôi đã chọn mô hình anten Yagi, bao gồm một tập hợp các chấn tử nửa sóng đồng nhất Chấn tử chủ động A được đặt tại gốc tọa độ, trong khi vị trí của các chấn tử thụ động trên trục z được xác định bởi các tọa độ zn, với n từ 1 đến N.
( N là số chấn tử dẫn xạ) và bởi tọa độ zp đối với chấn tử phản xạ
Việc điều chỉnh các chấn tử thụ động sẽ được thực hiện thông qua các điện kháng biến đổi iXp, iX1, iX2, ,iXn, tương ứng với vị trí cố định của các chấn tử và giá trị điện kháng điều chỉnh đã chọn Biên độ phức tạp của dòng điện trong mỗi chấn tử sẽ được xác định bằng cách giải hệ phương trình Kirchhoff cho hệ (N+2) chấn tử ghép.
Rpp, RAA, R11, R22,…, RNN đại diện cho phần thực của trở kháng riêng của các chấn tử phản xạ, chấn tử chủ động và các chấn tử dẫn xạ Ngoài ra, các trở kháng tương hỗ được xác định là ZpA = ZAp.
Các đại lượng Zp1, ZA1, , Znk có thể được xác định thông qua công thức của lý thuyết anten, sử dụng phương pháp sức điện động cảm ứng, hoặc tham khảo từ các bảng có sẵn.
Xp, XA, X1, X2, …,XN đại diện cho điện kháng toàn phần của các chấn tử phản xạ, chấn tử chủ động và các chấn tử dẫn xạ, bao gồm cả điện kháng riêng và điện kháng điều chỉnh nếu có Đại lượng U trong công thức (2.3) là điện áp được áp dụng ở đầu vào của chấn tử chủ động và có thể được lựa chọn tùy ý, chẳng hạn như 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: os os
Trong đó, là góc giữa trục anten và hướng của điểm khảo sát.
Góc θ trong mặt phẳng H và mặt phẳng E thể hiện mối quan hệ giữa hai mặt phẳng này Đối với mặt phẳng H, hàm phương hướng của hệ được xác định bởi công thức (2.4), trong khi đối với mặt phẳng E, hàm phương hướng của hệ là tích của hàm tổ hợp (2.4) và hàm phương hướng riêng của chấn tử.
6 Trở kháng vào của chấn tử chủ động
Khi có ảnh hưởng tương hỗ của các chấn tử thụ động thì trở kháng vào của chân chấn tử chủ động được tính như sau:
Trị số XA sẽ được chọn theo điều kiện để đảo bảo XVA=0, từ (2.6) sẽ xác định được
XA và do đó ZVA=RVA.
Hệ số tác dụng định hướng của anten ở hướng trục theo công thức:
D1= 1,64 là hệ số định hướng của chấn tử nửa sóng.
R11= 73,1 Ω là điện trở riêng của chấn tử nửa sóng (nghĩa là của một phần tử anten).
Cũng có thể tính theo công thức:
Hệ số A phụ thuộc vào tỷ số
L λ được biểu thị trên hình sau:
Hình 1.6-2- Sự phụ thuộc của hệ số A vào
8 Dải thông của anten Yagi
Anten Yagi rất nhạy với sự biến đổi tần số do có các yếu tố cộng hưởng, dẫn đến dải thông hẹp Tác dụng của thanh phản xạ đối với trở vào của anten mạnh hơn nhiều so với thanh dẫn xạ, vì vậy cần sử dụng thanh phản xạ có dải thông rộng Để mở rộng dải thông, thường sử dụng thanh phản xạ là chấn tử vòng dẹt hoặc chấn tử vòng dẹt kép, và các thanh phản xạ này được cấp nguồn.
Hệ số định hướng
Hệ số tác dụng định hướng của anten ở hướng trục theo công thức:
D1= 1,64 là hệ số định hướng của chấn tử nửa sóng.
R11= 73,1 Ω là điện trở riêng của chấn tử nửa sóng (nghĩa là của một phần tử anten).
Cũng có thể tính theo công thức:
Hệ số A phụ thuộc vào tỷ số
L λ được biểu thị trên hình sau:
Hình 1.6-2- Sự phụ thuộc của hệ số A vào
Dải thông của anten Yagi
Anten Yagi rất nhạy với biến đổi tần số do có các yếu tố cộng hưởng, dẫn đến dải thông hẹp Tác dụng của thanh phản xạ đối với trở vào của anten mạnh hơn nhiều so với thanh dẫn xạ, vì vậy nên sử dụng thanh phản xạ có dải thông rộng Để mở rộng dải thông, thường sử dụng thanh phản xạ là chấn tử vòng dẹt hoặc chấn tử vòng dẹt kép, và các thanh phản xạ này được cấp nguồn.
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM HFSS 14 PHẦN 3: MÔ PHỎNG, THIẾT KẾ ANTEN YAGI HOẠT ĐỘNG Ở TẦN SỐ 300 MHZ 15 1 Tính toán các thông số
Mô phỏng anten Yagi với HFSS 15
Các bước và thao tác thực hiện:
2.1 Khởi tạo chương trình, tạo project
• Khởi động chương trình: HFSS
2.2 Thiết lập các thông số
Chọn HFSS => Chọn Design Properties sẽ xuất hiện 1 bảng ta add các đối tượng cần thiết kế.
Ta thiết kế chấn tử bức xa Lbx = 500 mm.
• Thiết kế 1 bên chấn tử bức xạ:
• Draw => Cylinder => Xuất hiện 1 bảng và ta nhập thông số bức xạ như hình bên dưới.
Ta tạo nốt bên đối xứng còn lại của chấn tử bức xạ:
• Kích chuột phải vào nửa phần tử bức xạ ta chọn Edit => Duplicate =>> AroundAxit
• Xuất hiện 1 bảng, ta nhập thông số như sau:
Ta thiết kế chấn tử phản xạ Lpx = 530 mm.
• Làm tương tự như chấn tử bức xạ nhưng thông số bây giờ như hình vẽ.
• Kết quả được như sau:
Ta thiết kế các chấn tử dẫn xạ
Tương tự như thiết kế các chấn tử trên, ta điều chỉnh thông số cho phù hợp với từng chấn tử.
• Các chấn tử đếu được thiết kế từ 1 chất liệu là nhôm.
• Ta chọn chất liệu như sau: Kích đúp vào tên chấn tử.
• Trong mục: Material => chọn “pec”
• Ta được hình ảnh như sau:
Ta thiết kế tiếp điện:
• Chọn Draw => Rectangle=> xuất hiện bảng ta điền như sau:
• Kích chuột phải vào phần tử tiếp điện.
• Chọn Assign Exitation => Lumped Port
• Chọn next => xuất hiện bảng => chọn newline => ok.
• Ta kéo dây nối 2 bên của chấn tử bức xạ lại => xuất hiện bảng => ta nhập điện trở tiếp điện là 75 ohm => Finish.
Ta tạo không gian bức xạ cho anten.
• Draw => box => chọn vật liệu là ari.
• Sau khi vẽ xong ta chuột phải vào khung => Select Faces => chọn 6 mặt của khối không gian bức xạ.
• Kích phải vào khối => Assign Boundary => Radiotion.
• Giới hạn vùng bức xạ: Chọn HFSS => Radiation => insertFar Field Setup => infinite Sphere.
Ta thiết lập tần số hoạt động cho Anten.
• Chọn HFSS => Analys Setup => Chọn Add Solution Setup.
• Sau đó ta tiếp tục chọn HFSS => Analys Setup => Add Frequency Sweep.
• Ta chọn thông số như sau:
• Hình ảnh sau khi thiết kế:
2.3 Ta xuất kết quả mô phỏng Đồ thị S (1,1) Tần số cộng hưởng = 300MHZ Đồ thị 3D của GAIN Đồ thị smith:
