Khóa luận Mô phỏng, thiết kế anten yagi hoạt động ở tần số 2,4ghz

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay nhu cầu về thông tin vô tuyến đang phát triển rất mạnh mẽ trong hầu hết các lĩnh vực từ thông tin di động, đến truy cập Internet không dây, y tế môi trường, v.v.... Mỗi thiết bị vô tuyến cần phải có anten để thu và phát tín hiệu. Vì vậy Anten là bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị thu phát, truyền tin. Nhất là với công nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay anten đã có những thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước…nhằm thoả mãn tối 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. Anten Yagi cũng rất thích hợp đối với ứng dụng trong các thiết bị truyền thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN) trong các dải tần 2.4GHz (2400– 2484MHz) và 5.2 GHz (5150 – 5350MHz). Trong khuôn khổ đề tài này, cùng với việc tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật anten, tôi sẽ đi sâu vào tìm hiểu về anten Yagi, và mô phỏng, thiết kế một an ten Yagi hoạt động ở tần số 2.4GHz, với các thông số kỹ thuật phù hợp để có được độ lợi cao và băng thông rộng bằng phần mềm mô phỏng HFSS. Nội dung khóa luận bao gồm 4 chương: Chương I: Tổng quan: trình bày lý thuyết về anten, nêu ra các loại anten và một số những thông số của anten. Chương II: Anten Yagi: Trình bày chi tiết về anten Yagi: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, và các thông số cần quan tâm. Chương III: Mô phỏng, thiết kế anten Yagi hoạt động ở tần số 2,4Ghz: trình bày các kết quả thu được của việc mô phỏng Yagi trên HFSS. Chương IV: Đưa ra những kết quả thu được thông qua việc mô phỏng. Thảo luật hướng phát triển đề tài. CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về 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 từ ở 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. 1.1.1 Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến 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 được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì đã là hệ thống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từ, thì không thể không dùng đến thiết bị để bức xạ hoặc thu sóng điện từ (thiết bị anten). Anten là một cấu trúc được làm từ những vật liệu dẫn điện tốt, được thiết kế để có hình dạng kích thước sao cho có thể bức xạ sóng điện từ theo một kiểu nhất định một cách hiệu quả. 1.1.2 Các loại anten Trong thực tế ta thường gặp một số loại anten như: Anten dây (thanh) anten khe, anten vi dải, anten phản xạ, anten thấu kính, và hệ thống bức xạ. Hình 1.1: Các loại Anten Hình 1.2: Hệ thống bức xạ 1.1.3 Các thông số kỹ thuật Để lựa chọn một anten đáp ứng được nhu cầu như tốc độ nhanh,tính năng phong phú,vùng phủ sóng rộng, ta cần phải quan tâm đến các thông số kỹ thuật của anten. Một anten có các thông số kỹ thuật phù hợp sẽ mang đến một không gian làm việc “rộng rãi” hơn. Chúng bao gồm dạng bức xạ của anten, hướng tính của anten, độ lợi, trở kháng vào, sự phân cực. 1.1.3a_ Hướng tính của anten (directivity of anten) Hướng tính của anten mô tả cường độ của một bức xạ theo một hướng xác định tương ứng với cường độ bức xạ trung bình hay nói cách khác, nó cho biết mật độ công suất bức xạ tương ứng với công suất bức xạ được phân tán một cách đồng dạng. 1.1.3b_ Độ lợi (gain) Gain cũng diễn tả cùng một khái niệm như directivity nhưng nó còn bao gồm cả sự mất mát (về công suất) của chính bản thân anten. Bạn có thể định nghĩa độ bức xạ hiệu dụng được sử dụng để mở rộng directivity giúp xác định được độ lợi; một bộ bức xạ hoàn hảo sẽ có độ bức xạ hiệu dụng bằng 1. Độ lợi là một thuật ngữ mô tả sự tăng biên độ của tín hiệu vô tuyến, đơn vị đo là decibel (dB) hay dBi để chỉ độ lợi của anten đẳng hướng (isotropic) và dBd để chỉ độ lợi của anten dipole nửa bước sóng (half-wave dipole). Độ lợi G của anten là tỉ số giữa cường độ bức xạ U ở một hướng cho trước và cường độ bức xạ, nếu công suất cung cấp cho anten được bức xạ đẳng hướng. Độ lợi là đại lượng vô hướng, rất giống với độ hướng tính D. Khi anten không thất thoát, tức là khi Pin = Π, từ đó .Theo đó, độ lợi của anten đưa vào để tính toán mất mát của hệ thống anten. Nó được tính toán thông qua công suất vào, đây là một đại lượng có thể tính được, không giống như độ hướng tính, nó được tính thông qua công suất bức xạ Π. Có nhiều nhân tố làm xấu đi quá trình truyền năng lượng từ bộ phát đến anten (hoặc từ anten đến bộ thu): · Thất thoát do không phối hợp trở kháng. · Thất thoát do đường truyền. · Thất thoát do anten: thất thoát điện môi, thất thoát do tính dẫn, thất thoát phân cực. Công suất bức xạ bởi anten luôn bé hơn công suất đưa vào hệ thống anten, Π ≤ Pin, trừ khi anten được tích hợp những linh kiện tích cực. Điều đó giải thích tại sao G ≤ D . Theo chuẩn IEEE, độ lợi không bao gồm những mất mát có nguồn gốc từ không phối hợp trở kháng và từ phân cực không khớp. Vì thế, độ lợi chỉ đưa vào để tính toán thất thoát điện môi và tính dẫn của anten. Công suất bức xạ có liên quan đến công suất vào thông qua một hệ số gọi là hiệu suất bức xạ: , Anten có độ lợi càng cao thì khoảng cách sóng đi càng xa. Việc tập trung công suất phát của chúng chặt chẽ hơn làm cho nhiều năng lượng được truyền đến đích hơn,ở khoảng cách xa hơn. 1.1.3c_ Sự phân cực (polarization) Sự phân cực của sóng là hình ảnh để lại bởi đầu mút của vectơ trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng. Sự phân cực của anten có thể được phân loại như tuyến tính, tròn hay ellip. Sóng vô tuyến thực chất được tạo bởi 2 trường: điện trường và từ trường. Hai trường này nằm trên 2 mặt phẳng vuông góc với nhau. Tổng của 2 trường được gọi là trường điện từ. Mặt phẳng song song với thành phần anten được gọi là E-plane, mặt phẳng vuông góc với thành phần anten được gọi là H-plane. Chúng ta chỉ quan tâm chủ yếu đến điện trường vì vị trí và hướng của nó trong mối tương quan đến bề mặt trái đất sẽ quyết định sự phân cực của sóng. Sự phân cực là huớng vật lý của anten theo phương ngang (horizotal) hay dọc (vertical). Điện trường là song song với thành phần bức xạ của anten vì thế nếu anten nằm dọc thì cực của anten là dọc hay còn gọi là phân cực dọc (điện trường vuông góc với mặt đất). Phân cực dọc thường được sử dụng trong mạng Wi-Fi (WLAN) là vuông góc với mặt phẳng của trái đất. Phân cực ngang là song song với mặt đất. 1.1.3d_ Độ rộng băng tần (băng thông) Đó là dãy tần số, trong đó những đặc tính của anten (trở kháng ngõ vào,đồ thị) phù hợp để hoạt động ổn định. Những đặc tính đó được yêu cầu là phải chắc chắn, có thể là trở kháng vào, đồ thị bức xạ, độ rộng chùm tia, độ phân cực, bức bức xạ phụ, độ lợi, độ hướng tính, hiệu suất bức xạ. Riêng băng thông có thể gồm: trở kháng theo tần số, đồ thị băng tần… FBW của anten dãy rộng có thể được miêu tả bằng tỉ số tần số trên đến tần số dưới, trong đó chất lượng anten có thể chấp nhận được: (1.4) Với anten băng hẹp, FBW được diễn tả là tỉ lệ phần trăm của hiệu tần số băng thông với tần số trung tâm: (1.5) Thông thường, hoặc Băng thông (BW) có thể xác định thông qua hệ số sóng đứng (VSWR), sự thay đổi của trở kháng vào theo tần số hay các thông số bức xạ. BW được xác định bởi vùng tần số mà tại đó khả năng phối hợp trở kháng của anten nằm trong một giới hạn cho trước. trong đó Q là hệ số phẩm chất. Với VSWR được xác định bởi hệ số phản xạ Γ: 1.1.3e_Trở kháng (Impedance) Sự bức xạ hiệu dụng của một anten là “tỷ số của tổng công suất phát ra bởi anten so với công suất từ trạm phát (nối với anten) được chấp nhận bởi anten”. Anten bức xạ một số công suất ở dạng năng lượng điện từ. Tất cả các thiết bị RF, đường truyền (cáp), anten đều có trở kháng, chính là tỷ số giữa điện áp và dòng điện. Khi anten được kết nối với một đoạn cáp, nếu trở kháng đầu vào của anten trùng khớp với trở kháng của radio và đường truyền thì tổng công suất được truyền từ radio đến anten là tối đa. Tuy nhiên, nếu trở kháng không giống nhau thì một số năng lượng sẽ bị phản xạ ngược trở lại nguồn và số còn lại sẽ được truyền đi đến anten. 1.1.3f_ Tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR) VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) xuất hiện khi trở kháng không tương thích giữa các thiết bị trong hệ thống RF. VSWR được gây ra bởi một bộ tín hiệu RF bị phản xạ tại điểm trở kháng không tương thích trên đường truyền tín hiệu. Nếu như không có phản xạ thì VSWR sẽ bằng một. Khi VSWR tăng lên thì sự phản xạ sẽ càng nhiều. Nếu VSWR cao và công suất cao thì có thể gây ra tình huống nguy hiểm như khi ta sử dụng điện áp cao trong đường truyền, trong trường hợp tồi tệ nhất, nó có thể bắn ra tia lửa điện. Tuy nhiên, tình huống này sẽ không xảy ra nếu bạn sử dụng công suất thấp khi triển khai mạng WLAN. Phương thức thay đổi VSWR bao gồm việc sử dụng thiết bị thích hợp, kết nối chắc chắn giữa cáp và đầu nối, sử dụng trở kháng tương thích giữa các thiết bị phần cứng và sử dụng các thiết bị chất lượng cao là các phương thức tốt chống lại VSWR. Tỷ số này thường là 1,5:1 1.1.3g_ Búp sóng (beamwidt) Việc làm hẹp hay tập trung các búp sóng của anten sẽ làm tăng độ lợi của anten. Búp sóng là độ rộng của tia tín hiệu RF mà anten phát ra. Búp sóng dọc được đo theo độ và vuông góc với mặt đất, còn búp sóng ngang cũng được đo theo độ và song song với mặt đất. Ứng với mỗi kiểu anten khác nhau sẽ có búp sóng khác nhau. Việc chọn lựa anten có búp sóng rộng hay hẹp thích hợp là việc làm quan trọng để đạt được hình dạng vùng phủ sóng mong muốn. Búp sóng càng hẹp thì độ lợi càng cao. CHƯƠNG II ANTEN YAGI 2.1 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. 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Hình 2.1 : Mô hình Anten Yagi 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) Với 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 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 = . Hình 2.2 : Sự phụ thuộc giữa và với X22 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. Hình 2.3 : Phương hướng của cặp chấn tử chủ động và thụ động Hình 2.3 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 . Từ hình vẽ ta thấy : Khi Thì chấn tử thụ động trở thành chấn tử phản xạ. Còn khi 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 còn chấn tử dẫn xạ thường có độ dài nhỏ hơn . 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. 2.3 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 z và tạo thành một cấu trúc sóng chậm (sóng mặt), với hệ số sóng chậm . 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 định bởi: . Ta có hệ số sóng chậm bằng : Hệ số sóng chậm phụ thuộc vào độ dài của các chấn tử và khoảng cách 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 khi bán kính của chấn tử . Bảng 2.1 Hệ số sóng chậm Qua phân tích cũng đã xác nhận rằng nếu kết cấu có độ dài hữu hạn thì sẽ xuất hiện 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 tử dẫn xạ có độ dài bằng nhau và đặt cách đều nhau tương đương với một hệ thống thẳng liên tục, bức xạ trục. Hệ số chậm của sóng trong hệ thống được xác định theo bảng 2.1. Với độ dài của anten đã biết, có thể xác định được hệ số chậm tốt nhất (ứng với bước sóng công tác trung bình ) theo công thức: (2.2) 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 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 = 2 và dải thông tần yêu cầu bằng 10%. Ta cần chọn thông số để 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 . Từ bảng 2.1 sẽ xác định được độ dài chấn tử ( ứng với ). Từ đó suy ra 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 ). 2.4 Đặc trưng hướng Hình 2.4 : Mô hình anten Yagi Ta chọn mô hình anten Yagi (như hình 2.4 ) 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 = ( 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. (2.3) 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 đại lượng Xp, XA, X1, X2, …,XN là điện kháng toàn phần của chấn tử phản xạ, chấn tử chủ động và các chấn tử dẫn xạ, trong đó bao gồm điện kháng riêng của mỗi chấn tử 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: (2.4) Trong đó, là góc giữa trục anten và hướng của điểm khảo sát. Hình 2.5 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 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: (2.5) 2.5 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: ZVA=RVA + iXVA (2.6) 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. 2.6 Hệ số định hướng Hệ số tác dụng định hướng của anten ở hướng trục theo công thức: (2.7) trong đó : D1= 1,64 là hệ số định hướng của chấn tử nửa sóng. R11= 73,1 là điện trở riêng của chấn tử nửa sóng (nghĩa là của một phần tử anten). Cũng có thể tính theo công thức: , L - độ dài anten. ( 2.8 ) Hệ số A phụ thuộc vào tỷ số được biểu thị trên hình sau: Hình 2.6 Sự phụ thuộc của hệ số A vào 2.7 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 III MÔ PHỎNG, THIẾT KẾ ANTEN YAGI HOẠT ĐỘNG Ở TẦN SỐ 2,4 GHZ Ứng dụng lý thuyết đã trình bày ở chương I và chương II để thiết kế một anten Yagi đạt được độ lợi cao và có thể mở rộng vùng phủ sóng dựa trên tần số 2,4Ghz. Phần mô phỏng tôi sử dụng phần mềm HFSS. 3.1 Phần mềm mô phỏng HFSS HFSS là viết tắt của Hight Frequency Structure Simulator. HFSS là phần mềm mô phỏng trường điện từ theo phương pháp toàn sóng (full wave) để mô hình hóa bất kỳ thiết bị thụ động 3D nào. Ưu điểm nổi bật của nó là có giao diện người dùng đồ họa. Nó tích hợp mô phỏng, ảo hóa, mô hình hóa 3D và tự động hóa (tự động tìm lời giải) trong một môi trường dễ dàng để học, trong đó lời giải cho các bài toán điện từ 3D thu được một cách nhanh chóng và chính xác. Hình 3.1 Dao diện chính của chương trình HFSS 3.2 Thiết kế mô hình và các thông số của anten Yagi Thiết kế một Yagi antenna, nhỏ gọn, hoạt động ở dải tần trung bình là 2,30 – 2,48. tần số wifi kết nối wireless LAN giữ các máy tính được ứng dụng rộng rãi theo chuẩn 802.11. Từ dải tần trung bình ta tính được tần số trung tâm và bước sóng là: (3.1) Ta chọn mô hình anten cần thiết kế với các thông số được chọn như sau: N=6 là số chấn tử dẫn xạ, (N= 1,2,…,6 được ký hiệu như hình 3.1) mỗi chấn tử có chiều dài là 2ldẫn xạ . Một chấn tử phát xạ (chấn tử chủ động) ký hiệu 0, chiều dài 2lphát xạ. Một chấn tử phản xạ ký hiệu -1, chiều dài 2lphản xạ. 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 (0,32÷0,38)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: 2lphát xạ = = 0,0625 (m) (3.2) Chiều dài của chấn tử phản xạ: 2lphản xạ = 0,53 = 0,06625 (m) (3.3) Khoảng cách giữa chấn tử phát xạ và chấn tử phản xạ: dpx= 0,25 = 0,03125 (m) (3.4) Chiều dài của các chấn tử dẫn xạ là như nhau và bằng: 2ldẫn xạ = 0,33 = 0,04125 (m) (3.5) Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với chấn tử dẫn xạ đầu tiên cũng như giữa các chấn tử dẫn xạ với nhau: ddx = 0,25= 0,03125 Như vậy anten có chiều dài là: L = dpx + ddxN = 0,03125 + 0.03125 × 6 = 0,21875 (m) (3.6) Tính đặc trưng hướng Anten Yagi có thể coi như một hệ tuyến tính gồm các nguồn rời rạc. Anten thường đặt ở độ cao bằng một số lần chiều dài bước sóng 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: (3.7) Trong đó: là thừa số xác định đặc trương của một chấn tử. Trong mặt phẳng E (hình 2.5) (3.8) Trong mặt phẳng H (3.9) là thừa số ảnh hưởng của đất.(trong mặt phẳng H). (3.10) (h là độ cao đặt anten) là thừa số của hệ. (3.11) là biên độ dòng trên chấn tử j; I0 là biên độ dòng trên chấn tử chủ động; j là pha của dòng trên chấn tử thứ j; dz là khoảng cách từ chấn tử j đến chấn tử 0. Ta coi dòng trong các chấn tử là như nhau. Suy ra tỷ số . Vì vai trò chủ yếu quyết định dạng đặc trưng hướng là phân bố pha chứ không phải là phân bố biên độ. Với dtb là khoảng cách trung bình giữa các chấn tử: (3.12) L là chiều dài anten j = - k.dz là pha của dòng trên các chấn tử giảm theo quy luật tuyến tính; θ là góc tạo bởi phương điểm quan sát với trục chấn tử. suy ra (3.13) Biến đổi ta được: Vì hệ anten đang xét có N+2 chấn tử nên: (3.14) Hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa của hệ có dạng: (3.15) Thay các giá trị được chọn N = 6 ; dtb= 0,03125 (m) ; k = 2π/; Tính trở vào của anten Ta đang xét biên độ dòng là đồng biên và có pha lệch nhau một góc nên trở vào được xác định như sau: Ta tính trở kháng vào của chấn tử chủ động khi có ảnh hưởng tương hỗ của các chấn tử thụ động: (3.16) Góc được xác định như sau: Khoảng cách được chọn d = 0,25 nên Như thế, ta xác định được dòng trong chấn tử phản xạ nhanh pha hơn dòng trong chấn tử phát xạ là , dòng trong chấn tử phát xạ nhanh pha hơn dòng trong chấn tử dẫn xạ thứ hai là π, chấn tử thứ ba là …. Từ (3.16) ta viết lại như sau: ZVA = RVA+ j.XVA = j.Z-10 + Z00 – j.Z10 – Z20 + j.Z30 + Z40 – j.Z50 – Z60 (3.17) Z00 = 73,1 + j42,5 Ω - trở kháng riêng của chấn tử chủ động. Zn0 = Rn0 + j.Xn0 - trở kháng tương hỗ (n= -1, 1, 2, 3, …, 6). Zn0 được xác định theo bảng trở kháng tương hỗ (độ so le H=0). Z-10 (d=0,25λ)= 40,8 – j28,3 Ω Z10 = Z-10 = 40,8 – j28,3 Ω Z20 (d=0,5λ) = -12,5 – j29,9 Ω Z30 (d=0,75λ)= -22,45 + j6,6 Ω Z40 (d=1,0λ) = 4,0 + j17,7 Ω Z50 (d=1,25λ) = 14,6 – j2,65 Ω Z60 (d=(1,5λ) = -1,8 – j12,3 Ω Thay các giá trị trên vào (3.17) ta được: ZVA = 79,5 + j40,75 Tính độ lợi của anten Áp dụng công thức tính độ định hướng: với L = 0,21875 Ta có: Hệ số A phụ thuộc vào tỷ số được biểu thị trên hình sau: Hình 3.3 Sự phụ thuộc của hệ số A vào Dựa vào đồ thị trên ta xác định được A = 6,3 Do đó Suy ra: = 11,025 Tiếp điện cho anten Chấn tử đơn giản được ứng dụng phổ biến nhất là chấn tử nửa sóng (2l=λ/2). Để tiếp điện cho chấn tử ở dải sóng cực ngắn có thể dùng đường dây song hành hoặc cáp đồng trục. Ở đây ta sử dụng chấn tử vòng và cáp đồng trục để cấp điện cho anten. Như thế sẽ tăng trở kháng vào của chấn tử chủ động nhằm mục đích mở rộng dải tần cho anten. 3.3 Kết quả mô phỏng Để không tiêu hao của cải, tiết kiệm chi phí trước khi ứng dụng vào thực tế, em thử nghiệm mô phỏng anten Yagi ở trên bằng phần mềm mô phỏng HFSS. Sau khi thiết lập các thông số cần thiết và cho chạy trong phần mềm HFSS em đã thu được các kết quả sau: Cấu trúc 3 chiều của anten được thực hiện để mô phỏng: Hình 3.3 Cửa sổ chương trình mô phỏng Đồ thị của thông số S11: Đồ thị giữ tỷ số sóng đứng điện áp và dải tần hoạt động: Hình 3.5 Đồ thị SWR Yagi đạt được Đồ thị dạng bức xạ: Hình 3.6 Đồ thị bức xạ của Yagi khi θ = 00 và khi θ = 900 Đồ thị bức xạ 3D Hình 3.8 Đồ thị bức xạ 3D CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài, chúng ta đã đi sâu phân tích về anten Yagi. Qua đó chúng ta có thể hiểu rõ hơn về anten Yagi và sẽ có được những hướng phát triển mới mở rộng và đi sâu thêm về thiết kế nó. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Những kết quả đạt được qua đề tài như sau Nêu lên điểm mạnh của anten Yagi, nhỏ gọn, dễ chế tạo, chi phí thấp, đạt được độ lợi cao trong dải tần hoạt động. Tìm hiểu sâu về lý thuyết anten Yagi Dùng chương trình HFSS để mô phỏng cho một anten Yagi từ đó có thể thiết kế và thi công một cách chính xác và hiệu quả Qua các kết quả mô phỏng đạt được ta thấy rằng: Nếu muốn thu được tín hiệu tốt thì ta sẽ phải điều chỉnh anten thu hướng một cách chính xác về hướng anten phát. Và cần phải điều chỉnh các thông số trên sao cho phù hợp để có được sự bức xạ tốt nhất, thì anten thu sẽ thu được tín hiệu tốt mà không gặp phải khó khăn trong việc điều chỉnh hướng của anten thu theo một hướng chính xác về phía anten phát vì khi đó độ lợi và độ rộng bức xạ chính là lớn. Bên cạnh đó, sử dụng các phương pháp tiếp điện để phối hợp trở kháng cũng là vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng thu của anten. Ngoài ra trên anten đã được thiết kế, ta có thể mở rộng dải tần để thu được nhiều kênh hơn bằng cách ghép song song các chấn tử dẫn xạ và dùng chấn tử vòng để cấp điện cho anten. Ngoài những điều đã thực hiện được vì thời gian hạn chế nên đề tài còn một số điểm yếu cần được khắc phục. Băng thông của anten vẫn còn nhỏ, phối hợp trở kháng khi thực hiện anten còn chưa tốt. Đề tài chỉ nghiên cứu trong lĩnh vực anten chưa đề cập tới bộ thu phát wifi tần số 2.4 GHz HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Anten YaGi dùng để thu các tín hiệu truyền hình tương tự là chủ yếu, nó được thiết kế đơn giản, gọn nhẹ và kinh tế. Tuy nhiên việc thiết kế Anten được trình bày trong khóa luận này chưa được thiết kế và tính toán tối ưu. Do đó khi phát triển hơn nữa cần xét đến việc tính toán tối ưu là thiết kế anten sao cho đạt được các chỉ tiêu chất lượng cao nhất như: hệ số định hướng cần đạt được, mức bức xạ phụ, mức bức xạ ngược, dải tần công tác….. Trong kỷ nguyên thông tin ngày nay sự phát triển của công nghệ thông tin di động, thông tin vệ tinh đòi hỏi phải có những hướng nghiên cứu sâu hơn rộng hơn, để tìm ra được các loại cấu hình anten phù hợp, đáp ứng được nhu cầu truyền tải thông tin đa phương tiện là hết sức thiết thực. Do vậy việc nghiên cứu anten với sự hỗ trợ ngày càng mạnh hơn của kỹ thuật máy tính có thể tạo ra bước đột phá trong ngành thông tin liên lạc cũng như các dịch vụ giải trí truyền hình. Như vậy hướng phát triển đề tài tập trung vào các vấn đề thiết yếu sau đây: Tiếp tục đưa ra các dạng anten Yagi mới với nhiều tính năng vượt trội hơn về băng thông, độ lợi hiệu suất… phù hợp cho các hệ thống thông tin ngày nay, có thế phát triên dải băng tần lớn Ultra Wide Band Nghiên cứu các cách cấp nguồn khác cho anten không ảnh hưởng nhiều tới trường bức xạ, các kiểu mảng khác để bức xạ đạt cực đại. Tìm hiểu về bộ thu và phát sóng của các công nghệ ứng dụng anten Yagi như là wifi hay wimax TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [1]. Phan Anh, “Lý thuyết và kĩ thuật anten” ,XB KHKT – 2007 [2] Lê Tiến Thường, Trần Văn Sư , Truyền Sóng Và Anten, Nxb Đại học Quốc gia Tp. HCM TÀI LIỆU TIẾNG ANH [1] Condensed and re-edited from various sources, BASIC YAGI ANTENNA DESIGN FOR THE EXPERIMENTER [2]. Constantine A. Balanis, “Antenna Theory – Analysis and Design”, John Wiley & Sons, Inc [3]. D. M. Pozar and D. H. Schaubert, “Microstrip Antennas”, IEEE Press, 1995 PHỤ LỤC BẢNG TRỞ KHÁNG TƯƠNG HỖ CỦA HAI CHẦN TỬ NỬA SÓNG ĐẶT SONG SONG CÁNH NHAU MỘT KHOẢNG d VỚI ĐỘ SO LE H = 0