BÁO cáo THIẾT kế ANTEN LOA thiết kế anten loa

Để loại trừ các sóng khác thì kích thước của ống dẫn sóng phải thỏa mãn cácđiều kiện: cần xét đến và ta giả thiết rằng trường trên mặt mở z = 0 cũng có cấu trúc nhưtrong phần đều của ống

Ì1 =lj

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 công nghệtruyền thông vô tuyến

Trước hết phải kể đến Anten loa Nhờ các ưu điểm nổi bật của nó, mà Antenloa đã được lựa chọn làm Anten trong các hệ thống tin vô tuyến như: Điệnthoại di động cầm tay, các kỹ thuật đo lường từ xa Các ưu điểm của Antenloa có thể kể đến như: có khối lượng và kích thước nhỏ, bề dày mỏng, chiphí sản xuất hàng loạt, có khả năng phân cực tuyến tính với các kỹ thuật tiếpđiện đơn giản, các đường cung cấp và các linh kiện phối hợp trở kháng cóthể sản xuất đồng thời với việc chế tạo Anten và hỗ trợ cả hai, tuyến tínhcũng như phân cực tròn Bên cạnh các ưu điểm vượt trội, thì Anten loa vẫncòn một số khuyết điểm cần được khắc phục đó là: Băng thông hẹp, các vấn

đề về dung sai, một số Anten có độ lợi thấp, khả năng tích trữ công suấtthấp

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

2 Mục đích nghiên cứu

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

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Anten loa

4 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết kết hợp với mô phỏng Anten loa

5 Bố cục đề tài

2

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 tài liệutham khảo cuối báo cáo

3

mi • Ấ J 1 Ấ À 1

Thiết kê anten loa

I.

II.

III. THIẾT KẾ ANTEN LOA

I Lý thuyết chung về ANTEN

V. - 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

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

tự do lan truyền trong không gian

VII. + Anten thu: Tập trung năng lượng sóng điện từ trong không gian thành tín

hiệu điện cao tần đưa đến máy thu

XIII Hình 2: Một số loại anten

XIV. - Quá trình vật lý bức xạ sóng điện từ

XV. + Điện trường xoáy : Là điện trường có các đường sức không bị ràngbuộc

với các điện tích tạo ra nó mà tự bản thân chúng khép kín

XVI. + Điều kiện tạo sóng điện từ : Quy luật của điện từ trường biến thiên,điện

trường xoáy biến thiên sẽ sinh ra từ trường biến đổi Bản thân từ trường biến đổilại sinh ra một điện trường xoáy mới Quá trình lặp lại và sóng điện từ được hìnhthành

II Tổng quan lý thuyết anten loa

2.1.1 Trường trên mặt mở của ống dẫn sóng chữ nhật

XXIII. Bài toán về sự phát xạ từ đầu hở của ống dẫn sóng chữ nhật chưa

chặt 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:

cần xét đến và ta giả thiết rằng trường trên mặt mở (z = 0) cũng có cấu trúc nhưtrong phần đều của ống dẫn sóng

XXVII.

XXVIII. Hình 2.1: Đầu hở của ống dân sóng chữ nhật.

XXXIV. Ở đây: ri là hệ số phản xạ từ mặt mở (theo sóng cơ bản);

XXXV p = Ạ J— = 120sr (đôi với chân không);

XXXVI. Ặ o : Bước sóng của sóng H10 trong ống dẫn sóng hình chữ nhật

XXXVII. Như vậy, với giả thiết gần đúng ở trên thì mặt mở của ống dẫn

XXXIX. Các thành phần ngang của điện và từ trường trên mặt mở liên

2.1.2 Đặc trưng hướng

XLIII. 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

XLIV. Giá trị biên độ cường độ điện trường trong mặt phẳng điện được xác định bởi

LIV. tự:

LV. Sau khi tính tích phân ta có:

LXIV. Trên Hình 2.2 mô tả các đặc trưng hướng đối với ống dẫn sóng tiêu chuẩn

a = 0,72 1, b = 0,32 1

LXVII. 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 ri = 0 (không có sự phản xạ trênmặt 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 r 1 ở bước sóng công tác không lớn lắm(| r i|<0,2 ) và do r 1 chỉ ảnh hưởng tới fi(0,ọ) Vì thế, khi tính toán kỹ thuật trongtrường hợp hệ số phản xạ nhỏ thì ta có thể dùng các công thức đơn giản hơn

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

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

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

LXXI.

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

LXXIII.

LXXIV.

2.1.3 Hệ sô định hướng và Diện tích hiệu dụng

LXXV. Nếu dùng công thức (2.5) hoặc (2.7) và giả thiết gần đúng ri =

trị bình phương của cường độ trường theo hướng phát xạ cực đại (0,9 = 0):

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

r i = 0

LXXVII.

LXXVIII. Từ đây suy ra cường độ trường do anten vô hướng tạo ra ở

khoảng cách Rđối với nguồn phát xạ.

LXXXIV. 2.2.1 Đặc trưng hướng

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

có phát xạ

yếu Nó dùng đê làm bộ chiếu xạ cho những mặt mở tròn, ví dụ parabol trònxoay Bộ phát xạ được kích thích bằng sóng cơ bản H11 Trường của sóng nàytrong mặt cắt của ống dẫn sóng có cấu trúc mô tả như Hình 2.3b

Theo định nghĩa ta có thê tính được:

(2.12)

thể tìm được biểu thức cho các thành

XCVII. phần trường ở vùng xa:

CIII. Từ đó suy ra đặc trưng hướng trong các mặt phẳng chính có dạng:

CIV. - Trong mặt phẳng điện yoz (ọ=K /2)

2.2.2 Hệ số định hướng của ống dẫn sóng tròn

CXIV. Giả thiết r = 0 ta có:

CXV (2.24) CXVI. 2.3 Các loại anten loa

CXVII. 2.3.1 Nguyên lý hoạt động

CXVIII. Các nguồn phát xạ ống dẫn sóng đều là những nguồn định hướngyếu

(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

CXIX. Loa là một ống dẫn sóng có thiết diện tăng dần một cách thích hợp để tránh

các 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)

CXXI. Hình 2.4: Các loại anten loa.

CXXII. 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.

CXXIII. Các kích thước điện của mặt mở của loa có thể làm khá lớn so

sóng 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 sónghở

CXXIV. Trong loa có sự biến đổi từ từ cấu trúc và các tham số của trường

sóng 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)

CXXV. Các anten loa có dải thông khá rộng, chúng được làm từ các

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 mặt phẳngkia 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 hướng trong1

CXXVIII. trường hợp loa vô hạn Sau khi đã xác định được trường trên mặt mở,

ta sẽ tìmtrường trong vùng xa (bài toán ngoài) Trường của dòng ở mặt ngoài của thành

loa khá nhỏ so với trường trên mặt mở nên ta sẽ bỏ qua

ta dùng hệ toạ độ trụ (p, ọ, y) Rõ ràng là vì đối với sóng H10 ở trong ống dẫn sóng

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

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

CXXXVI. V-E, +k~E y =0

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

CXXXVIII. (2.25)

CXXXIX.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:

CXL.Ta giải phương trình bằng phương pháp tách biến Nghiệm được biểu diễn

dưới dạng tích của 2 hàm, mỗi hàm chỉ phụ thuộc 1 biến

CXLI (2.26) CXLII. Nếu thay (2.26) vào (2.25) và đưa vào hằng số tách biến p2 ta có:

Phương trình (2.27) là phương trình Bessen; (2.28) là phương trình điện

Nghiệm của phương trình Bessen có thể viết dưới dạng tổ hợp tuyến tính củacác hàm Hankel loại 1 và 2 bậc p

CXLIV. Eỵ = cos(/?<p + y/0)[C1Hpíl)(Ả'/9) + C 2 H^\kpỸ\

CXLV. 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:

CXLVI. (p = ± (pữ

- Trên chỗ nối với ống dẫn sóng thì phải thỏa mãn điều kiện liên tục của các

thành phần tiếp tuyến của trường ở mặt phân cách giữa ống dẫn sóng với

nghĩa là:

CXLVII. l^yloDS l^yltoa

CXLVIII. 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

CXLIX. - Ở cách xa “cổ” loa, trường phải là sóng chạy chỉ theo hướng

CLV. t / 2 ± j

CLVI. L 27ĨJ

CLVII. y 7TKp

CLIX. Thừa số pha c chỉ

ra rằng với sự phụ thuộc thời gian c , hàm 11

mô tả sóng chạy theo hướng từ vô cực vê đỉnh loa, còn - sóng chạy từ đỉnh

CLX.loa vê hướng tăng p Vì thế trong trường hợp đang xét (loa phát xạ), chỉ có

-mới có ý nghĩa và do đó phải lâyC1=0

CLXII. Bây giờ nếu bỏ qua các chỉ số không cân thiết và đặt các giá trị p

biến thiên trường theo góc ọ

CLXVI. Khi kích thích loa bằng ống dẫn sóng chữ nhật với sóng H10 thì

CLXX. - Từ biểu thức tiệm cận đối với hàm Hankel (2.34) ta thây rằng pha

CLXXI. của trường là hàm của tọa độ p, mặt sóng được xác định bằng phương

trình

p = const Do đó, trong loa quạt có sóng trụ được truyên lan

CLXXII. - Trong loa, không có bước sóng tới hạn và tât cả các sóng đêu là truyên lan

được

CLXXIII. - Vận tốc pha của sóng không phải là hằng số mà giảm dân vê phía miệngloa 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 (vộ^ c) Về mặt vật lý, có thể giải thích điều đó bằng sự

mở rộng thiết diện ngang của loa: trong ống dẫn sóng

khi kp >>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

CLXXVII. Ta giả thiết rằng mặt mở phẳng của loa nằm tại vị trí sóng trụ đãđược

hình thành Nếu dùng biểu thức tiệm cận (2.34) và công thức (2.36) thì biểu

CLXXVIII.thức trường trên mặt mở của loa như sau:

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

CXCV. 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 dẫn

sóng kích thích Trong mặt phẳng điện (theo tọa độ y) phân bố biên độ trên mặt

(2.39)

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

CXCVI. Đặc trưng phân bố pha trên mặt mở có thể xác định gần đúng

CCVII. Nếu chú ý rằng trên mặt mở của loa:

CCVIII. Thì ta có:

khá phức tạp nên không dẫn ra ở đây.

CCXIII. 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.

CCXIV. Từ đồ thị đó ta thấy rõ một hiện tượng đặc trưng đối với anten loa là: Khi

loa 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:

CCXV. Khi không thay đổi chiều dài của loa R/Ằ = const và tăng dần góc

mở 2ọ0 thì

đầu tiên cánh sóng chính hẹp dần do kích thước điện của mặt mở tăng aL/À

Nhưng đồng thời mức độ không đồng pha của mặt mở cũng tăng

CCXVI. nên bắt đầu từ giá trị 2ọ0 nào đó cánh sóng chính sẽ bị mở

rộng và sau đó dẫn đến sự phân tích cánh sóng chính thành vài cực đại Đối với loa

quạt H tối ưu thì độ rộng cánh sóng chính trong mặt phẳng từ:

CCXXX. Hình 2.8 mô tả các đồ thị về sự phụ thuộc của hệ số định hướng

quạt H (có Ố/À = 1) vào các kích thước điện Tính giá trị DH bằng cách nhân sốlấy

được ở đồ thị với Ố/À Từ đồ thị ta thấy rằng đối với mỗi giá trị R/ỵ = const thì

DHsẽ có một giá trị cực đại ứng với một giá trị ƠL /À nào đó (hoặc 2ọ0) tương ứngvới

các kích thước tối ưu của loa

CCXXXI. Quan hệ tối ưu của các kích thước của loa được đánh dấu bằng đường

CCXXXII. chấm chấm

(2.49)

Khi đó sai pha cực đại trên biên mặt mở:

Hình 2.8: Sự phụ thuộc của hệ số định hướng của loa quạt H có chiều cao

đơn vị (b /Ả =1) vào kích thước điện của chúng.

CCXXXIV.Hệ số sử dụng diện tích ẸA « 0,64 Đối với các loa tối ưu:

đường cong chập vào nhau) Bởi vì mặt mở thực tế sẽ trở nên đồng pha

(^A=0,81). Vì thế, để nhận được đặc trưng hướng tối ưu và hệ số DH cực đại ta

CCXXXIX.phải chọn:

CCXL.

CCXLI.

2.3.3 Loa quạt E

CCXLII. a Phân bố biên độ pha

CCXLIII. Loa quạt E là loa có kích thước được mở rộng trong mặt phẳng E

CCLV. (trong mặt phẳng E) và cosin dọc theo trục x (mặt phẳng H).

CCLVI. Phân bố pha là bậc 2 dọc theo trục y và đều dọc theo trục x

CCLVII. b Đặc trưng hướng

CCLVIII. Đặc trưng hướng của anten loa quạt E trong mặt phẳng từ không khác đặc

trưng hướng của đầu hở ống dẫn sóng (công thức (2.9))

CCLIX. Trong mặt phẳng điện (mặt phẳng mở rộng loa), đặc trưng hướngđược biểu

diễn bằng biểu thức sau:

(2.55)

loa quạt E có độ rộng đơn vị (a/À = 1) vào các kích thước điện Tính giá trị D E

bằng cách nhân giá trị lấy được từ đồ thị với a/À

Hình 2.9: Đặc trưng hướng thực nghiệm của loa quạt E trong mặt phẳng E.

Đối với loa quạt E thì độ rộng cánh sóng chính trong mặt phẳng điện:

(2.59)

CCLXXIII.Kích thước tối ưu của loa quạt E được biểu diễn bằng biểu thức:

«

-2 (2.63)

Hình 2.10: Sự phụ thuộc của hệ số định hướng của loa quạt E có chiều rộng

đơn vị (a/ Ả = 1) vào các kích thước điện của nó.

CCXCI. Ở đây u’, Li" : Tính theo công thức (2.48) với RH = RE;

CCXCII. v’ : Tính theo công thức (2.60)

CCXCIII. Nếu so sánh (2.65) với biểu thức của hệ số Dmax của các loa quạt (2.47) và

(2.59) thì ta có thể biểu diễn Dmax qua DH và DE.

CCCI. Do tính chất phân cực không ổn định nên loa này ít được dùng.

được dùng trong các thiết bị anten phân cực tròn

CCCII. Độ rộng cánh sóng chính của loa nón tối ưu trong các mặt phẳng

CCCVII. Hệ số sử dụng diện tích của loa nón tối ưu ^ A = 0,51 Đối với các

loa tối ưu thì ^ A sẽ lớn hơn Nhưng tăng R > 2,5Rt.ư sẽ không có ý nghĩa vì khi đósai pha trên mặt sẽ nhỏ hơn K /4 và khi tăng R thì ^ A hầu như không tăng Đối với

(2.69)

II.