BÁO cáo THIẾT kế ANTEN LOA thiết kế anten loa

Tổng quan lý thuyết anten loa2.1 Sự phát xạ từ đầu hở của ống dẫn sóng chữ nhật 2.1.1 Trường trên mặt mở của ống dẫn sóng chữ nhật Bài toán về sự phát xạ từ đầu hở của ống dẫn sóng chữ n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐHQG HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÁO CÁO THIẾT KẾ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di độngnói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của côngnghệ truyền thông vô tuyến

Trước hết phải kể đến Anten loa Nhờ các ưu điểm nổi bật của nó, màAnten loa đã được lựa chọn làm Anten trong các hệ thống tin vô tuyếnnhư: Điện thoại di động cầm tay, các kỹ thuật đo lường từ xa Các ưuđiểm của Anten loa có thể kể đến như: có khối lượng và kích thước nhỏ, bềdày mỏng, chi phí sản xuất hàng loạt, có khả năng phân cực tuyến tính vớicác kỹ thuật tiếp điện đơn giản, các đường cung cấp và các linh kiện phốihợp trở kháng có thể sản xuất đồng thời với việc chế tạo Anten và hỗ trợ cảhai, tuyến tính cũng như phân cực tròn Bên cạnh các ưu điểm vượt trội, thìAnten loa vẫn còn một số khuyết điểm cần được khắc phục đó là: Băngthông hẹp, các vấn đề về dung sai, một số Anten có độ lợi thấp, khả năngtích trữ công suất thấp

Tuy nhiên hiện nay, có rất nhiều ứng dụng đòi hỏi anten phải có kích thướcnhỏ, băng thông rộng và đồng thời lại phải có khả năng hoạt động tại nhiềudải tần khác nhau Nhận thấy tầm quan trọng của vấn đề này nên nhóm tôi

đã quyết định chọn đề tài : "Thiết kế Anten loa" làm đề tài của nhóm

Mục tiêu của đề tài là tập trung nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng Anten loa

Anten loa

4 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết kết hợp với mô phỏng Anten loa

5 Bố cục đề tài

Ngoài các phần mở đầu, kết luận, hướng phát triển đề tài và tài liệu tham khảo, còn bao gồm các chương:

- I : Tổng quan về lý thuyết anten

- II : Tổng quan về lý thuyết anten loa

- III: Thiết kế, mô phỏng anten loa

- IV: Tài liệu tham khảo

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Tài liệu nghiên cứu là tập hợp các bài báo, sách tham khảo, các luận vănđược trích dẫn trong suốt luận văn này cũng như được liệt kê ở phần tàiliệu tham khảo cuối báo cáo

Thiết kế anten loa

I Lý thuyết chung về ANTEN .

1.Giới thiệu .

II Tổng quan lý thuyết anten loa .

2.1 Sự phát xạ từ đầu hở của ống dẫn sóng chữ nhật .

2.1.1 Trường trên mặt mở của ống dẫn sóng chữ nhật

2.1.2 Đặc trưng hướng

2.1.3 Hệ số định hướng và Diện tích hiệu dụng

2.2 Sự phát xạ từ đầu hở của ống dẫn sóng tròn .

2.2.1 Đặc trưng hướng

2.2.2 Hệ số định hướng của ống dẫn sóng tròn

2.3 Các loại anten loa .

2.3.1 Nguyên lý hoạt động

2.3.2 Loa quạt H

2.3.3 Loa quạt E

2.3.4 Loa tháp

2.3.5 Loa nón

2.3.6 Anten ống dẫn sóng và anten loa với phân cực elip

2.4 Các phương pháp hoàn thiện cấu trúc và tham số của anten loa .

2.4.1 Tăng dải tần của anten loa theo đặc trưng hướng

2.4.2 Làm giảm sự phản xạ từ cổ và miệng loa

2.4.3 Làm giảm kích thước dọc của loa, hiệu chỉnh pha

2.5 Ứng dụng

III Thiết kế, mô phỏng với anten loa .

3.1.Nội dung thiết Kế .

3.3.Các tham số kích thước 45

3.4.Kết quả sau khi mô phỏng angten loa 49

3.4.1 Anten ống dẫn sóng (ODS) 49

3.4.2 Anten loa quạt E 50

3.4.3 Anten loa quạt H 51

3.4.4 Anten loa tháp 53

3.5.Bảng so sánh và nhận xét 54

3.5.1.Bảng so sánh 54

3.5.2.Nhận xét : 54

IV Tài liệu tham khảo 55

THIẾT KẾ ANTEN LOA

I Lý thuyết chung về ANTEN

1.Giới thiệu

- Vai trò của anten : Là thiết bị bức xạ sóng điện từ ra không gian và thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài

+ Anten phát: Biến đổi tín hiệu điện cao tần từ máy phát thành sóng điện từ

tự do lan truyền trong không gian

+ Anten thu: Tập trung năng lượng sóng điện từ trong không gian thành tín hiệu điện cao tần đưa đến máy thu

Hình 1: Hình ảnh minh họa

- Các loại anten :

Hình 3: Quá trình truyền lan sóng điện

- Quá trình vật lý bức xạ sóng điện từ

+ Khảo sát quá trình bức xạ

II Tổng quan lý thuyết anten loa

2.1 Sự phát xạ từ đầu hở của ống dẫn sóng chữ nhật

2.1.1 Trường trên mặt mở của ống dẫn sóng chữ nhật

Bài toán về sự phát xạ từ đầu hở của ống dẫn sóng chữ nhật chưa được giảichặt chẽ, mới chỉ giải được bằng các phương pháp gần đúng Khi đó, người ta giảthiết rằng, trong phần đầu của ống dẫn sóng chỉ truyền một loại sóng duy nhất làH10 Để loại trừ các sóng khác thì kích thước của ống dẫn sóng phải thỏa mãn cácđiều kiện:

Trên mặt mở (Hình 2.1) xảy ra sự phản xạ một phần Ngoài sóng cơ bản(H10) còn xuất hiện các sóng bậc cao bị tắt dần, do đó trường trên mặt mở có cấutrúc khác với trường trong phần đầu của ống dẫn sóng Trên mặt ngoài của cácthành ống dẫn sóng còn xuất hiện các dòng mặt Thực tế cho thấy rằng với mức

độ gần đúng thì các sóng bậc cao và cả dòng trên mặt ngoài của ống dẫn sóng cóthể không cần xét đến và ta giả thiết rằng trường trên mặt mở (z = 0) cũng có cấutrúc như trong phần đều của ống dẫn sóng

Hình 2.1: Đầu hở của ống dẫn sóng chữ nhật.

Như vậy, với giả thiết gần đúng ở trên thì mặt mở của ống dẫn sóng chữnhật là một mặt đồng pha phân bố biên độ đều trong mặt phẳng điện và cosintrong mặt phẳng từ. 1 có thể được xác định bằng thực nghiệm hoặc theo cáccông thức gần đúng:

2.1.2 Đặc trưng hướng

Phân bố trường trên mặt mở là phân bố tách biến, vì thế đặc trưng

hướng trong mặt phẳng điện có thể tìm được theo phương pháp mặt mở

Giá trị biên độ cường độ điện trường trong mặt phẳng điện được xác định bởi các biểu thức sau:

Nếu chú ý tới (2.1) và (2.3) ta có:

Đối với mặt phẳng điện yoz (Hình 2.1):

Tích phân theo tọa độ x, y ta có:

Sau khi tính tích phân ta có:

a = 0,72 λ, b = 0,32 λ

Hình 2.2: Đặc trưng hướng của ống dẫn sóng chữ nhật.

a) Trong mặt phẳng E; b) Trong mặt phẳng H

- Khi1 = 0; -Khi1 = 0,17

Để so sánh, trên đồ thị vẽ các đặc trưng hướng tính theo (2.8) và (2.9) khi hệ

số phản xạ tính theo (2.2) bằng 0,17 và khi1 = 0 (không có sự phản xạ trên mặt mở) Từ các đồ thị ta thấy rằng ở nửa không gian phía trước các đường cong này rất ít khác nhau Đó là do giá trị của1 ở bước sóng công tác không lớn lắm (|1|

<0,2 ) và do1 chỉ ảnh hưởng tới f1(,) Vì thế, khi tính toán kỹ thuật trong

trường hợp hệ số phản xạ nhỏ thì ta có thể dùng các công thức đơn giản hơn

(2.10)

(2.11)

Có thể tính gần đúng độ rộng cánh sóng chính của đặc trưng hướng

theo công thức

- Trong mặt phẳng điện (phân bố biên độ đều):

- Trong mặt phẳng từ (phân bố biên độ dạng cosin):

2.1.3 Hệ số định hướng và Diện tích hiệu dụng

Nếu dùng công thức (2.5) hoặc (2.7) và giả thiết gần đúng1 = 0 ta có giá trị bình phương của cường độ trường theo hướng phát xạ cực đại (, = 0):

Công suất phát xạ từ mặt mở có thể tìm được theo biểu thức (2.1) khi

1=0

Từ đây suy ra cường độ trường do anten vô hướng tạo ra ở khoảng cách

R đối với nguồn phát xạ

Theo định nghĩa ta có thể tính được:

(2.12)

Thông thường đối với bước sóng công tác/10 = 0,71 khi đó:

(2.13)

Đối với các ống dẫn sóng có kích thước tiêu chuẩn (a = 0,72; b = 0,32) thì

Dmax 2,4 Hệ số sử dụng diện tíchA = 0,84 Như vậy, đầu hở của ống dẫn sóng chữ nhật là một nguồn phát xạ có tính định hướng yếu

2.2 Sự phát xạ từ đầu hở của ống dẫn sóng tròn

2.2.1 Đặc trưng hướng

Đầu cuối của ống dẫn sóng tròn (Hình 2.3a) cũng là loại anten có phát

xạ yếu Nó dùng để làm bộ chiếu xạ cho những mặt mở tròn, ví dụ parabol

tròn xoay Bộ phát xạ được kích thích bằng sóng cơ bản H11 Trường của sóng này trong mặt cắt của ống dẫn sóng có cấu trúc mô tả như Hình 2.3b

Hình 2.3: Tính đặc trưng hướng của ống dẫn sóng tròn hở đầu cuối trong

mặt phẳng điện và từ.

a) Dạng chung của nguồn phát xạ; b) Mặt phát xạ

Để tính toán đặc trưng hướng, ta đưa vào hệ toạ độ cực (,') các thành phần trường điện từ của sóng H11 trong mặt mở khi tính đến sự phản xạ từ mặt

mở có thể viết dưới dạng

(2.14)

-Trong mặt phẳng điện yoz (= /2)

Các nguồn phát xạ ống dẫn sóng đều là những nguồn định hướng yếu

(Dmax = 25) và có hệ số phản xạ tương đối cao Để khắc phục những nhượcđiểm đó ta phải dùng các cấu trúc phối hợp Đó là các loại loa

Loa là một ống dẫn sóng có thiết diện tăng dần một cách thích hợp để tránhcác sóng bậc cao có thể xuất hiện Có nhiều loại loa khác nhau: Loa quạt H, loaquạt E, loa tháp, loa nón, loa 2 nón 1 phía, loa 2 nón 2 phía (Hình 2.4)

Hình 2.4: Các loại anten loa.

a) Loa quạt H; b) Loa quạt E; c) Loa tháp; d) Loa nón; e) Loa 2 nón 1 phía; g) Loa 2 nón 2

phía.

Các kích thước điện của mặt mở của loa có thể làm khá lớn so với ống dẫnsóng Do đó, tính định hướng tăng lên Có thể thu hẹp cánh sóng tới 810 độ Mặtkhác, sự biến đổi từ từ thiết diện của loa còn làm phối hợp tốt ống dẫn sóng cấpđiện với không gian tự do (loa là một dạng của cấu trúc phối hợp chuyển tiếpdần) Vì thế, hệ số phản xạ từ mặt mở khá nhỏ so với trường hợp ống dẫn

sóng hở

Trong loa có sự biến đổi từ từ cấu trúc và các tham số của trường từ ống dẫnsóng tới không gian tự do Vận tốc pha, bước sóng (cả kích thước của các vòngđường sức mô tả cấu trúc trường) và trở kháng sóng sẽ biến đổi dần từ các giá trịcủa nó ở trong ống dẫn sóng (ở “cổ” loa) đến các giá trị ở trong không gian tự do(ở mặt mở)

Các anten loa có dải thông khá rộng, chúng được làm từ các anten độc lập

và làm các bộ chiếu xạ cho gương và thấu kính Các loa quạt có dạng cánh sónghình “quạt” Độ rộng cánh sóng trong một mặt phẳng thì hẹp, còn trong mặtphẳng kia thì rộng Các loa tháp và nón có đặc trưng hướng dạng “kim”: độ rộngcánh sóng trong 2 mặt phẳng gần như nhau Loa 2 nón một phía có đặc trưnghướng dạng “phễu” Loa 2 nón hai phía có đặc trưng hướng dạng “đĩa”: vô hướngtrong 1 mặt phẳng và hẹp trong một mặt phẳng khác

Do những khó khăn lớn về toán học nên lý thuyết chặt chẽ về các anten loavẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ Chúng mới được nghiên cứu khá tỷ mỉ bằngcác phương pháp gần đúng

Đầu tiên cần phải xác định trường ở trong loa, khi đó, người ta giả thiết rằngloa là vô hạn, thành của nó dẫn điện lý tưởng Phần này của bài toán được giảichặt chẽ, sau đó chuyển sang xét loa có chiều dài hữu hạn, đồng thời giả thiếtrằng trường ở trong loa rất ít bị thay đổi và có thể bỏ qua sự thay đổi đó Do đó,trường trên mặt mở vẫn giữ nguyên như

trường hợp loa vô hạn Sau khi đã xác định được trường trên mặt mở, ta sẽ tìm

trường trong vùng xa (bài toán ngoài) Trường của dòng ở mặt ngoài của thànhloa khá nhỏ so với trường trên mặt mở nên ta sẽ bỏ qua.

2.3.2 Loa quạt H

Để tìm các biểu thức đối với các thành phần của trường ở trong loa ta giảthiết: loa dẫn điện, dài vô hạn, loa được kích thích bằng sóng H10 trong ống dẫnsóng chữ nhật Ta cũng chỉ tính toán đối với sóng cơ bản vì các sóng bậc cao ởvùng “cổ” loa là những sóng không truyền được Để dễ dàng ghi các điều kiệnbiên ta dùng hệ toạ độ trụ (,, y) Rõ ràng là vì đối với sóng H10 ở trong ống dẫnsóng ta có:

Cho nên đối với sóng cơ bản ở trong loa có:

Hình 2.5: Phân tích trường điện từ trong loa quạt H.

Ta giải bài toán đối với điện trường Phương trình sóng có dạng:

Trong hệ có toạ độ trụ, phương trình có dạng:

Ở đây cần chú ý rằng, trong ống dẫn sóng cấp điện cũng như ở trong

loa, trường không thay đổi theo trục y nên:

Ta giải phương trình bằng phương pháp tách biến Nghiệm được biểu diễndưới dạng tích của 2 hàm, mỗi hàm chỉ phụ thuộc 1 biến

Các hằng số C1, C2, p,0 phải được xác định bằng các điều kiện biên:

- Trên các thành bên phân kỳ của loa Ey = 0 với:

- Trên chỗ nối với ống dẫn sóng thì phải thỏa mãn điều kiện liên tục của cácthành phần tiếp tuyến của trường ở mặt phân cách giữa ống dẫn sóng với loa, có nghĩa là:

Điều kiện này xác định biên độ trường trong loa Trong trường hợp đang xét

nó không có ý nghĩa quan trọng vì thế ta sẽ không đặt điều kiện này

- Ở cách xa “cổ” loa, trường phải là sóng chạy chỉ theo hướng vì ta

đã giả thiết rằng loa dài vô hạn nên không thể tồn tại sóng ngược được Điều kiệnnày tương đương với điều kiện phát xạ

Hai điều kiện biên đầu tiên cho ta xác định được giá trị p và0 như sau:

Để xác định C1 và C2 ta dùng các biểu thức tiệm cận của các hàm Hankel

khi đối số lớn (k >> p), tức là ở những khoảng cách lớn đối với “cổ” loa

Biểu thức đó có dạng:

(2.34)

Thừa số pha chỉ ra rằng với sự phụ thuộc thời gian , hàm

mô tả sóng chạy theo hướng từ vô cực về đỉnh loa, còn sóng chạy từ đỉnhloa về hướng tăng Vì thế trong trường hợp đang xét (loa phát xạ), chỉ có

phần trường được mô tả bằng hàm mới có ý nghĩa và do đó phải lấy C1=0

Bây giờ nếu bỏ qua các chỉ số không cần thiết và đặt các giá trị p và0 đã

tìm được vào biểu thức (2.31) ta có:

(2.35)

Ở đây m = 1, 2, 3…

Cũng như trong ống dẫn sóng, chỉ số m xác định loại sóng, tức là số

lượng biến thiên trường theo góc

Khi kích thích loa bằng ống dẫn sóng chữ nhật với sóng H10 thì sóng cơ bản (sóng “loa” H10) có biên độ lớn nhất, vì thế m = 1 Khi đó:

(2.36)

Cấu trúc trường trong loa giống cấu trúc trường của sóng H10 ở trong ốngdẫn sóng chữ nhật, nhưng có 1 số điểm khác:

- Từ biểu thức tiệm cận đối với hàm Hankel (2.34) ta thấy rằng pha của

trường là hàm của tọa độ, mặt sóng được xác định bằng phương trình

 = const Do đó, trong loa quạt có sóng trụ được truyền lan

- Trong loa, không có bước sóng tới hạn và tất cả các sóng đều là truyềnlan

được

- Vận tốc pha của sóng không phải là hằng số mà giảm dần về phía

23

loa từ giá trị của nó ở trong ống dẫn sóng cấp điện đến giá trị gần với giá trị của nó

ở trong không gian tự do (v c) Về mặt vật lý, có thể giải thích điều đó bằng sự mở rộng thiết diện ngang của loa: trong ống dẫn sóng

,vì thế khi tăng a thì (v c)

- Thành phần từ trường H giảm nhanh hơn so với H khi tăng k Vì thế

khi k p >>p thì ở xa loa, trường có đặc trưng ngang như sóng TEM Điều đó xảy

ra ở cách xa đỉnh loa vài bước sóng

a Phân bố biên độ và pha của trường trên mặt mở của loa

Ta giả thiết rằng mặt mở phẳng của loa nằm tại vị trí sóng trụ đã đượchình thành Nếu dùng biểu thức tiệm cận (2.34) và công thức (2.36) thì

biểu thức trường trên mặt mở của loa như sau:

(2.37)

Trên miệng loa (Hình 2.6):

Vì thế ta có thể viết:

(2.38)

Hình 2.6: Tính toán phân bố pha trên mặt mở của loa.

Như vậy, trên mặt mở của loa quạt H ở trong mặt phẳng từ phân bố biên độ hầu như tuân theo quy luật hình cosin, gần giống như phân bố trong ống dẫnsóng kích thích Trong mặt phẳng điện (theo tọa độ y) phân bố biên độ trên mặt

mở của loa này là phân bố đều (như trong ống dẫn sóng)

Đặc trưng phân bố pha trên mặt mở có thể xác định gần đúng theo phươngpháp hình học (Hình 2.6) Pha của trường trên mặt mở (giả thiết(0)=0 và x <<R) bằng:

Nếu chú ý rằng trên mặt mở của loa:

Thì ta có:

Sau một số phép biến đổi ta có:

(2.44)

Ở đây C(u) và S(u) là các tích phân Fresnel:

Để tìm đặc trưng hướng, ta phải lấy mô đun của biểu thức trên Biểu thức

đó khá phức tạp nên không dẫn ra ở đây

Đặc trưng hướng của anten tuyến tính với phân bố pha bậc 2 đã được

phân tích trước đây Đặc điểm của chúng là mức cánh sóng phụ lớn hơn so vớianten đồng pha, cánh sóng phụ nhập vào cánh chính, độ rộng của cánh sóng chính lớn, khi mức độ không đồng pha lớn thì cánh sóng chính bị phân tích

thành một vài cực đại như Hình 2.7 mô tả một loạt các đặc trưng hướng thực nghiệm của anten loa quạt H trong mặt phẳng từ

Từ đồ thị đó ta thấy rõ một hiện tượng đặc trưng đối với anten loa là: Khiloa có kích thước thích hợp ( ta gọi là kích thước tối ưu) thì cánh sóng chính hẹpnhất, hệ số D cũng cực đại Về mặt vật lý, tính chất đó có thể được giải thích nhưsau:

Khi không thay đổi chiều dài của loa R/ = const và tăng dần góc mở 20thì đầu tiên cánh sóng chính hẹp dần do kích thước điện của mặt mở tăng aL/Nhưng đồng thời mức độ không đồng pha của mặt mở cũng tăng

nên bắt đầu từ giá trị 20 nào đó cánh sóng chính sẽ bị mởrộng và sau đó dẫn đến sự phân tích cánh sóng chính thành vài cực đại Đối vớiloa quạt H tối ưu thì độ rộng cánh sóng chính trong mặt phẳng từ:

(2.45)

Khi dùng loa làm bộ chiếu xạ cho gương, người ta còn tính độ rộng

theo mức 0,1 về công suất:

(2.46)

Cần nhận thấy rằng do phân bố pha là bậc 2 (hàm chẵn) trên mặt mở antenloa không có điểm tâm pha