Đề tài Thiết kế và thi công anten yagi

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 1 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện MỤC LỤC Nội dung Trang Mở Đầu....................................................................................................................4 Tóm Tắt nội dung.....................................................................................................5 Phần I : Lý Thuyết Anten .............................................................6 Chương 1: Giới Thiệu Sơ Lược Về Anten .................................................... 6 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten ..............................................................6 1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát ..........................................................................7 1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện ................................................8 1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten ................................................................10 Chương 2: Lý Thuyết Cơ Bản Về Anten .................................................... 12 2.1. Quá trình bức xạ sóng điện từ ......................................................................12 2.2. Vận tốc truyền lan sóng điện từ ...................................................................14 2.3. Dải tần và dải tần công tác của anten ...........................................................19 2.4. Hệ phương trình Maxwell............................................................................20 2.5. Hệ số tác dụng định hướng D và Hệ số tăng ích G.......................................25 Chương 3: Lý Thuyết Gần Đúng Về Chấn Tử Đối Xứng ......................... 29 3.1. Phân bố dòng trên chấn tử đối xứng.............................................................29 3.2. Trở kháng sóng của chấn tử đối xứng ..........................................................34 3.3. Trở kháng vào của chấn tử đối xứng............................................................34 3.4. Độ rút ngắn của chấn tử nửa sóng. ...............................................................36 3.5. Hệ số tác dụng định hướng của chấn tử đối xứng ............................................37 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 2 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Chương 4: Lý Thuyết Anten Thu................................................................ 39 4.1. Chấn tử đối xứng làm việc ở chế độ thu.......................................................39 4.2. Áp dụng nguyên lý tương hỗ để nghiên cứu tính chất chung của anten thu ..42 4.3. Công suất thu được trên tải anten thu...........................................................46 4.4. Diện tích hiệu dụng của anten thu.....................................................................48 Phần II: Thiết Kế Và Thi Công Anten Yagi ...............................50 Chương 5: Anten Yagi ................................................................................. 50 5.1. Cấu trúc của anten Yagi...............................................................................50 5.2. Phương pháp tính các đặc trưng tham số của anten .........................................58 5.3. Vấn đề tiếp điện và phối hợp trở kháng............................................................61 Chương 6: Mô Phỏng................................................................................... 69 6.1. Trường hợp d = 0,25λ; f = 650 Mhz; thay đổi N ..........................................69 6.2. Trường hợp N = 6, f = 650 Mhz; thay đổi d.................................................72 6.3. Trường hợp N = 6; dpx = ddx = 0,25λ, thay đổi tần số....................................76 6.4. Trường hợp f = 650 Mhz; thay đổi N và d ...................................................79 6.5. Trường hợp dpx = ddx = 0,115 m thay đổi N và f...........................................81 6.6. Trường hợp N = 6, thay đổi f và d ...............................................................83 Chương 7: Thiết Kế Và Thi Công Anten Yagi Thu Các Kênh Truyền Hình BTV1, BTV2 ...................................................................................... 86 7.1. Vài nét về dài truyền hình Bình Dương .......................................................86 7.2. Chọn mô hình và các thông số cấu tạo của anten .........................................87 7.3. Tính đặc trưng hướng ..................................................................................89 7.4. Tính trở vào của anten .................................................................................93 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 3 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện 7.5. Tính hệ số tác dụng định hướng...................................................................94 7.6. Tiếp điện cho anten .....................................................................................95 7.7. Thi công ......................................................................................................95 Kết luận và hướng phát triển ..................................................................................96 Tài liệu tham khảo..................................................................................................98 Phụ Lục 1: Các toán tử trường điện từ anten..........................................................99 Phụ Lục 2: Bảng trở kháng của hai chấn tử nửa sóng ...........................................101 Phụ Lục 3: Chương trình mô phỏng .....................................................................104 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 4 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin, giải trí của con người ngày càng cao và thật sự cần thiết. Bằng cách sử dụng các hệ thống phát, thu vô tuyến đã phần nào đáp ứng được nhu cầu cập nhật thông tin của con người ở các khoảng cách xa một cách nhanh chóng và chính xác. Bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng anten để phát hoặc thu tín hiệu. Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp rất nhiều các hệ thống anten như: hệ thống anten dùng cho truyền hình mặt đất, vệ tinh, các BTS dùng cho các mạng điện thoại di dộng. Hay những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại di động, radio … cũng đều sử dụng anten. Qua việc nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật anten sẽ giúp ta nắm được các cơ sở lý thuyết anten, nguyên lý làm việc và cơ sở tính toán, phương pháp đo các tham số cơ bản của các loại anten thường dùng. Đó là lý do người thực hiện chọn đề tài “ Thiết kế và thi công anten Yagi”. Mục đích của đề tài là tìm hiểu về lý thuyết anten, phương pháp tính và thiết kế anten Yagi thu được các kênh BTV1, BTV2 của đài truyền hình Bình Dương. Như thế, giới hạn của đề tài chỉ trong phạm vi hẹp là nghiên cứu anten Yagi và các phần lý thuyết có liên quan. Tuy nhiên đây là cơ sở rất quan trọng để có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển kỹ thuật anten. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 5 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện TÓM TẮT NỘI DUNG Tập luận văn này được chia làm hai phần chính:  Phần I: Lý thuyết anten Trong phần này, sẽ khái quát về sự ra đời, vị trí, vai trò và những yêu cầu cơ bản của anten trong kỹ thuật vô tuyến điện và lý thuyết cần thiết để nghiên cứu và thiết kế anten cụ thể như:  Lý thuyết về truyền sóng  Lý thuyết cơ bản về anten  Lý thuyết gần đúng về chấn tử đối xứng  Lý thuyết về anten thu  Phần II: Thiết kế và thi công anten Yagi Phần này sẽ trình bày về lý thuyết anten Yagi Sử dụng Matlab để mô phỏng đồ thị bức xạ của anten khi thay đổi các thông số kỹ thuật của anten. Trình bày quá trình thiết kế anten Yagi thu các kênh BTV1, BTV2 của đài truyền hình Bình Dương theo yêu cầu của đề tài. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 6 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Phần I: LÝ THUYẾT ANTEN ---------------- Chương 1: GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ ANTEN 1.1. Sơ lược lịch sử phát triển của 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. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 7 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện 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. Một vài mốc quan trọng trong lịch sử phát triển của Anten:  Năm 1886: nhà vật lý người Đức Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu dùng một mạch dao động hở với lưỡng cực Hertz thì ở vùng xa lưỡng cực sẽ hình thành trường phát xạ.  Sau khi hoàn thành dụng cụ để chứng minh thí nghiệm của Hertz, năm 1897 Popob nhà phát minh vô tuyến điện người Nga đã dùng các dụng cụ này làm phương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn và có khả năng truyền các tín hiệu ở khoảng cách 3 dặm.  Năm 1901 : Guglielmo Marconi đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cách lớn. Hệ thống này hoạt động ở tần số khoảng 60 Khz .  Năm 1916 : Trước năm 1916, hầu hết thông tin vô tuyến chủ yếu là điện báo. Trong năm 1916, lần đầu tiên sử dụng tín hiệu đã điều chế biên độ để truyền tín hiệu thoại qua sóng vô tuyến .  Năm 1930: Người ta tạo được nguồn phát klystron và magnetron có khả năng phát ra tín hiệu với tần số lên đến GHz (gọi là dao động cao tần).  Từ 1940 đến nay: Anten đã được ứng dụng rất rộng rãi trong hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa, … 1.2. Giới thiệu hệ thống thu phát Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên lạc dùng anten được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Sau đây là sơ đồ hệ thống thu phát đơn giản : Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 8 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tin Ở hệ thống phát anten đóng vai trò như là thành phần bức xạ sóng điện từ, nó chuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian. Khi đến anten thu thì năng lượng điện từ được biến đổi thành tín hiệu điện ở máy thu, ở đây tín hiệu được trả về dạng ban đầu của nó. 1.3. Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện 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. Hệ thống cảm ứng bức xạ Hệ thống gia công tín hiệu Máy thu Thiết bị xử lý tin Hệ thống cung cấp tín hiêu Hệ thống bức xạ Thiết bị điều chế Máy phát Hệ thống phát Hệ thống thu Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 9 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, vì đã là hệ thống vô tuyến có nghĩa là hệ thống đó có sử dụng sóng điện từ, thì không thể không dùng đến thiết bị bức xạ hoặc thu sóng điện từ. Ví dụ, một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu. Thông thường giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng điện từ gọi là fide. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian. Cấu tạo của anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên. Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nó tiếp thu sóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này sẽ được truyền theo fide tới máy thu, còn một phần sẽ bức xạ trở lại vào không gian (bức xạ thứ cấp). Yêu cầu của thiết bị anten-fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu. Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiến từ xa…. Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau.Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang, để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát. Song anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết. Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến điều khiển…thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 10 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướng nhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước. Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, rada, điều khiển … cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten, hệ thống cung cấp tín hiệu bảo đảm việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức xạvới các yêu cầu khác nhau, hoặc hệ thống gia công tín hiệu. 1.4. Những yêu cầu cơ bản của Anten Những yêu cầu cơ bản đối với anten được xác định bởi nhiệm vụ của thiết bị vô tuyến điện, chẳng hạn yêu cầu về:  Tính định hướng Anten của các đài truyền thanh, truyền hình phải phát xạ đều theo mọi phía dọc mặt đất, còn trong radar thông tin cần phải phát xạ trong một hình quạt hẹp nhằm để tập trung năng lượng về phía đài đối. Anten cũng phải có tính chất thu định hướng, cùng với độ chọn lọc của máy thu, tính chọn lọc theo hướng của anten là phương tiện chống nhiễu có hiệu quả.  Phối hợp trở kháng Anten phải bảo đảm phát và thu năng lượng cực đại. Do đó mà có thể xem anten như một thiết bị phối hợp giữa fide và không gian tự do.  Dải tần Dao động điện từ biến điệu mang tin tức từ máy phát qua fide tới anten. Để thông tin không bị méo, anten phải có một dải tần nhất định. Để chống nhiễu thường dùng phương pháp chuyển tần số công tác hoặc để phù hợp với điều kiện chuyển sóng mà các đài liên lạc sóng ngắn phải làm việc ở các dải tần số khác Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 11 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện nhau vào ban ngày và ban đêm. Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau mà không có sự thay đổi đáng kể về chất lượng.  Tính phân cực Tính phân cực cũng phải tùy yêu cầu cụ thể. Chẳng hạn anten phải đặt trên vật thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính ( hướng vectơ điện trường không thay đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực tròn hay phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động vẽ nên đường tròn hay elip). Ngoài ra, để đảm bảo khả năng thông tin theo kiểu tán xạ từ các miền bất đồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của anten phải thay đổi theo một chương trình nhất định. Để đánh giá được anten thực hiện nhiệm vụ và thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật đề ra như thế nào ta thường dùng các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten sau đây:  Nhóm các đặc trưng: Đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực.  Nhóm các tham số: Hệ số tác dụng định hướng, hiệu suất, hệ số khuếch đại, chiều dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng, trở kháng vào… Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 12 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ANTEN 2.1. Quá trình bức xạ sóng điện từ Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có khả năng bức xạ sóng điện từ. Tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ sóng điện từ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định. Để ví dụ ta xét một mạch dao động có kích thước rất nhỏ so với bước sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh một điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh một từ trường biến thiên. Những điện trường, từ trường này hầu như không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch. Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điện nên năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch. Nếu mở rộng kích thước của tụ điện (hình 2.1b) thì dòng điện dịch sẽ không chỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽ lan tỏa ra môi trường ngoài và có thể truyền tới những điểm nằm cách xa nguồn (nguồn điện trường là các điện tích biến đổi trên hai má tụ điện). Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công anten yagi SVTH : Nguyễn Ngọc Tuấn - Trang 13 - GVHD : ThS Lại Nguyễn Duy Bùi Quang Chí Thiện Hình 2.1: Ví dụ về mạch dao động thông số tập trung Nếu mở rộng hơn nữa kích thước của tụ điện (hình 2.1 c,d) thì dòng điện dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng s