báo cáo anten loa và mô phỏng anten loa

MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU iv CHƯƠNG I LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 1 1 1 Vị trí của anten trong thông tin vô tuyến 1 1 2 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ 3 1 3 Các tham số cơ bản của anten 4 1.

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Sự ra đời của mỗi một loại hình truyền thông đều đánh dấu một mốc phát triểncủa lịch sử loại người, hình thức trao đổi thông tin thay đổi từ thời kỳ này qua thời kỳkhác và từ cách này qua cách khác Có hai dạng truyền thông là truyền thông hữu tuyến

và truyền thông vô tuyến

Về kỹ thuật, việc phát triển ứng dụng các phương thức xử lý tín hiệu cùng với cácthành tựu đã đạt được trong lĩnh vực công nghệ vi điện tử và điện tử siêu cao tần chophép thiết lập các hệ anten có xử lý tín hiệu với nhiều tính năng mới, linh hoạt, khiến choanten không chỉ còn là một hệ điện động học thụ động mà còn chủ động tham gia vào cáckhâu nhằm nâng cao hiệu quả của hệ thống thông tin Đó là các hệ anten thích nghi, antenthông minh

Việc phát triển phương thức thông tin vô tuyến trong những năm gần đây với sự

mở rộng phổ tần số đến các dải GHz đã nảy sinh nhiều loại anten mới phù hợp và hiệuquả

Ở học phần Truyền sóng và Anten các sinh viên đã được giảng dạy tổng quan vềmột dạng thiết bị dùng trong truyền thông vô tuyến chính là anten Các nội dung chínhgồm có: Lý thuyết chung về anten, Chấn tử đối xứng và Anten dùng trong thông tin viba

Để hoàn thành bài thi cho học phần này, mỗi sinh viên sẽ phải hoàn thành một bài tiểuluận dựa theo nội dung đã học và với chủ đề được giao sẵn Học phần đã giới thiệu rấtnhiều về các loại anten Tuy nhiên, để đáp ứng đúng các yêu cầu thì chúng sẽ phải được

cụ thể hóa hơn nữa

Bài tiểu luận này trình bày chủ yếu sẽ là các nội dung tổng quan về Anten loa.Mặc dù được lắp đặt ở khá nhiều vị trí và với nhiều mục đích khác nhau nhưng ta chưabiết vì sao nó lại được sử dụng nhiều như vậy? Cấu trúc của nó là gì? Cơ chế hoạt động rasao? Và bên cạnh đó, nó có dùng cho nhiều mục đích khác nữa hay không? Bài tiểu luậnnày bên cạnh hiểu biết cá nhân còn có sử dụng một số kiến thức thông qua tìm hiểu từ cácgiáo trình, các công trình nghiên cứu về anten loa và đặc biệt là một số hình ảnh từ nhữngcông trình thực tế Ta sẽ đi phân tích, tìm hiểu về nguyên lý chung, phương pháp tính toán

và nghiên cứu rõ hơn về một số loại anten loa phổ biến hiện nay

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN

Anten là một linh kiện điện tử có thể bức xạ hoặc thu nhận sóng điện từ Có nhiềuloại ăngten: Ăngten lưỡng cực, anten mảng, anten đẳng hướng, anten định hướng Trongmột hệ thống thông tin vô tuyến, anten có hai chức năng cơ bản

Chức năng chính là để bức xạ các tín hiệu RF từ máy phát dưới dạng sóng vôtuyến hoặc để chuyển đổi sóng vô tuyến thành tín hiệu RF để xử lý ở máy thu Chức năngkhác của ăngten là để hướng năng lượng bức xạ theo một hay nhiều hướng mong muốn,hoặc "cảm nhận" tín hiệu thu từ một hay nhiều hướng mong muốn còn các hướng còn lạithường bị khóa lại

Các đặc trưng khác như búp sóng, độ dài hiệu dụng, góc mở hiệu dụng được suy ra

từ bốn đặc trưng cơ bản trên Trở kháng đầu cuối (đầu vào) là một đặc trưng cơ bản kháckhá quan trọng Nó cho ta biết trở kháng của anten để kết hợp một cách hiệu quả côngsuất đầu ra của máy phát với anten hoặc để kết hợp một cách hiệu quả công suất từ antenvào máy thu Tất cả các đặc trưng anten này đều là một hàm của tần số

1.1 Vị trí của anten trong thông tin vô tuyến.

Anten là một hệ thống cấu trúc có khả năng bức xạ và thu nhận các sóng điện từ.Anten là thiết bị không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin vô tuyến điện, bởi vìthông tin vô tuyến sử dụng sóng điện từ bức xạ ra không gian để truyền lan từ nơi phátđến nơi thu Một hệ thống truyền dẫn vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu,anten phát và anten thu (hình 1)

Ở nơi phát, sóng điện từ cao tần được truyền dẫn từ máy phát đến anten thông qua hệthống fidơ dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiện vụ biến đổi sóng điện

từ ràng buộc trong fidơ thành sóng từ tự do bức xạ ra không gian Cấu tạo của anten quyếtđịnh đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên Tại nơi thu, anten thu làm nhiệm vụngược lại với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài vàbiến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này sẽ được truyền theo fidơ tới máythu

Hình 1: Hệ thống truyền tin đơn giản

Yêu cầu của thiết bị anten - fidơ là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượngsóng điện từ với hiệu suất cao nhất và không gây méo dạng tín hiệu

Anten sử dụng trong các hệ thống thông tin khác nhau phải có những yêu cầu khácnhau Trong các hệ thống thông tin quảng bá như phát thanh, truyền hình, Nhưng trongmặt phẳng thẳng đứng anten lại phải có bức xạ định hướng sao cho hướng cực đại trongmặt phẳng này song song với mặt đất, để máy thu thu được tín hiệu lớn nhất và giảmđược năng lượng bức xạ hướng không cần thiết, giảm được công suất máy phát, giảmđược can nhiễu

Tuy nhiên, trong các hệ thống thông tin vô tuyến điểm tới điểm như hệ thống thôngtin vi ba, thông tin vệ tinh, rađa yêu cầu anten anten bức xạ với tính hướng cao, nghĩa làsóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian

• Anten có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, thường theo các cách phânloại sau:

o Công dụng của anten: Anten có thể được phân thành anten phát, anten thu hoặcanten phát + thu dùng chung Thông thường anten làm nhiện vụ cho cả phát và thu

o Dải tần công tác của anten: Anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóng ngắn

và anten sóng cực ngắn

o Cấu trúc của anten

o Đồ thị phương hướng của anten: anten vô hướng và anten có hướng

o Phương pháp cấp điện cho anten: anten đối xứng, anten không đối xứng

1.2 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ.

1 Hình ảnh được trích trong tài liệu A Phan, Lý thuyết và kỹ thuật Anten, Hà Nội: Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2007.

Về nguyên lý, bất kỳ một hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc

từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ Tuy nhiên trong thực tế, sự bức xạ chỉxảy ra trong những điều kiện nhất định

Ví dụ xét một mạch dao động L, C như chỉ ra trong hình 2a, nếu đặt vào một sứcđiện động biến đổi thì giữa hai má tụ sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn không giantrong lòng cuộn dây sẽ phát sinh từ trường biến thiên Nhưng trường điện từ này hầu nhưkhông bức xạ ra bên ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử của mạch Dòng điện dịchchuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ, nênnăng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy Còn năng lượng từtrường tập trung chủ yếu trong lòng cuộn dây Năng lượng của toàn bộ hệ thống sẽ đượcbảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong dây dẫn của cuộn cảm và tổn hao trong chấtđiện môi trong tụ điện

Hình 2: Quá trình bức xạ sóng điện từ 2

Nếu mở rộng khoảng cách giữa hai má tụ điện như chỉ trong hình 2b thì dòng điệndịch được biểu thị trùng với đường sức điện trường, sẽ không dịch chuyển trong khoảngkhông gian giữa hai má tụ điện mà mộ bộ phận sẽ lan toả ra môi trường bên ngoài và cóthể truyền tới những điểm khá xa nguồn (nguồn sinh ra điện trường chính là các điện tíchtrên hai má tụ điện)

2 Hình ảnh được trích trong tài liệu A Phan, Lý thuyết và kỹ thuật Anten, Hà Nội: Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2007.

Tiếp tục mở rộng khoảng cách giữa hai má tụ điện như hình 2c thì dòng điện dịch sẽlan toả càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảngkhông gian bên ngoài Còn các đường sức ở gần tụ điện không tự khép mà bắt nguồn từđiện tích dương trên má tụ và kết thúc ở má tụ có điện tích âm Các đường sức tự khépkín, nghĩa là đã hình thành một điện trường xoáy.

Theo quy luật biến thiên (được biểu thị bởi các phương trình Maxwell) thì điệntrường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường biến đổi lại tạo ra một điện trườngxoáy, nghĩa là hình thành quá trình truyền lan sóng điện từ

Trường điện từ thoát khỏi sự ràng buộc của nguồn, tự nó khép kín gọi là trường điện

từ tự do, năng lượng của trường điện từ này gọi là năng lượng bức xạ Phần năng lượngnày là năng lượng có ích và được sử dụng cho thông tin vô tuyến

Trường điện từ bị ràng buộc bởi nguồn gọi là trường điện từ ràng buộc Năng lượngcủa trường điện từ này gọi là năng lượng vô công

Vậy một thiết bị bức xạ điện từ là thiết bị trong đó điện trường hoặc từ trường biếnthiên có khả năng thâm nhập

1.3 Các tham số cơ bản của anten.

Hàm tính hướng được thể hiện ở các dạng sau:

Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng là hàm véc tơ phức, bao gồm cácthành phần theo θ và φ:

(1.1)Hàm tính hướng biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tương đối của biên độ cường

độ trường bức xạ theo các hướng khảo sát khi cự ly khảo sát không đổi, đó chính làbiên độ của hàm tính hướng phức (cụ thể hơn là modun của hàm tính hướng phức)

1.3.2 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng.

Hàm tính hướng cho biết giá trị cụ thể của tính hướng một anten, nhưng muốncảm nhận được bằng trực thị tính hướng của một anten ta phải sử dụng đồ thị Đồ thịphương hướng được vẽ bởi hàm tính hướng

Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạhoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cáchkhảo sát cố định Từ đồ thị phương hướng là một mặt cắt của đồ thị hướng tính bachiều Đó là đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độvuông góc, loại đồ thị có thể hiển thị dễ dàng trên giấy (hình 3) Để đơn giản đồ thịphương hướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa và được gọi là

đồ thị phương hướng chuẩn hóa của anten

Hình 3: Ví dụ đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ cực

Từ đồ thị phương hướng trên hình 3 nhận thấy rằng, giá trị trường bức xạ biếnđổi theo sự biến đổi của các góc phương hướng khác nhau Độ rộng búp sóng đượcxác định bởi góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc côngsuất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định Nếu tính theo giá trị của cường độ điệntrường thì độ rộng búp sóng này ứng với góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó

cường độ điện trường giảm đi lần so với giá trị cực đại của anten trong tọa độcực

3 Hình ảnh được trích trong tài liệu A Phan, Lý thuyết và kỹ thuật Anten, Hà Nội: Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2007.

Hình 4: Ví dụ đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ vuông góc

Nếu tính theo đơn vị decibel (dB), khi công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứngvới công suất sẽ giảm 3 dB Bởi vậy độ rộng búp sóng nửa công suất còn được gọi là

độ rộng búp sóng 3 dB, ký hiệu là θ = 3dB (hình 5)

Như vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xạ theomột hướng nào đó, nếu góc θ = 3dB càng bé thì anten đó tập trung công suất bức xạcàng mạnh

Hình 5: Độ rộng của đồ thị phương hướng 5

1.3.3 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten.

4 Hình ảnh được trích trong tài liệu A Phan, Lý thuyết và kỹ thuật Anten, Hà Nội: Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2007.

5 Hình ảnh được trích trong tài liệu A Phan, Lý thuyết và kỹ thuật Anten, Hà Nội: Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 2007.

Công suất đặt vào anten PA do máy phát đưa trực tiếp đến anten hoặc thông thường qua fidơ cung cấp cho anten Trong quá trình chuyển đổi năng lượng cao tần

từ máy phát thành năng lượng bức xạ sóng điện từ không thể tránh các tổn hao do nhiệt bởi vật dẫn, chất điện môi của anten, và phần mất mát do cảm ứng và che chắn bởi các linh kiện phụ như thanh đỡ bộ chiếu xạ, bản thân bộ chiếu xạ… Vì vậy, công suất là bao gồm cả công suất tổn hao và công suất bức xạ

(1.4)Một cách hình thức ta có thể coi công suất bức xạ của anten tương tự như công

suất tiêu hao trên một điện trở tương đương nào đó Khi đó được viết dưới dạng:

(1.5)Anten được coi là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan

trọng đặc trưng của nó là hiệu suất làm việc Hiệu suất của anten , chính là tỷ số

giữa công suất bức xạ, và công suất máy phát đưa vào anten

Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten Thôngthường hiệu suất của anten luôn nhỏ hơn 1

1.3.4 Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại của anten.

Anten có nhiều loại, kết cấu hình dáng và kích thước của chúng rất đa dạng

Để biểu thị tính hướng của mỗi anten, ngoài các thông số về độ rộng búp sóngngười ta đưa vào hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại Anten lý tưởng là anten cóhiệu suất làm việc 100% và năng lượng bức xạ sóng điện từ đồng đều ở tất cả cáchướng

• Hệ số hướng tính.

Hệ số hướng tính của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suấtbức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiệncông suất bức xạ của hai anten là như nhau

(1.7)

 Trong đó:

• là hệ số hướng tính của anten khảo sát ở hướng với khoảng cách r

hướng , khoảng cách r và mật độ công suất bức xạ của anten

vô hướng tại cùng điểm xét

 Trong đó là giá trị biên độ cường độ điện trường của anten khảo

sát ở hướng tại khoảng cách r và giá trị biên độ cường độ điện trường củaanten vô hướng tại cùng điểm xét

(1.11)

 Biên độ cường độ trường tại một hướng bất kỳ có quan hệ với hàm tính hướngbiên độ chuẩn hóa và cường độ trường ở hướng bức xạ cực đại theo biểu thức.

(1.12)

 Do đó từ (1.11) và (1.12) ta có:

(1.13)

là hệ số hướng tính ở hướng cực đại

Hệ số khuếch đại của anten.

Hệ số khuếch đại của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suấtbức xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ởcùng hướn với khoảng cách ko đổi, với điều kiện công suất đưa vào của hai anten

là như nhau và anten chuẩn (anten vô hướng) có hiệu suất bằng 1

(1.14)Như vậy hệ số khuếch đại của anten là một khái niệm đầy đủ hơn và đượcdùng nhiều trong thực tế kỹ thuật, nó đặc trưng cho anten cả về đặc tính bức xạ(hướng tính) và khả năng làm việc (hiệu suất) của anten Hệ số khuếch đại củaanten cho thấy rằng anten có hướng tính sẽ bức xạ năng lượng tập trung về hướngđược chọn và giảm năng lượng bức xạ ở các hướng khác

Hình 6: Đồ thị phương hướng của anten omni - directional và anten có hướng 6

6 Hình ảnh được trích trong tài liệu P A D Nguyễn and T H Phạm Thị, Truyền sóng - Anten (Bài giảng), Hà Nội: Học viện công nghệ bưu chính viễn thông, 2006

Lưu ý rằng, ta thường chọn phương chuẩn là phương bức xạ cực đại củaanten nên sau này khi chỉ dùng các kí hiệu D và G, đó chính là hệ số hướng tính và

hệ số khuếch đại ở hướng bức xạ cực đại

Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại thường được biểu diễn theo đơn vị

dB, lúc đó từ các công thức (1.7), (1.10), (1.14) có dạng như sau:

(1.16)

1.3.5 Trở kháng vào của anten.

Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu trực tiếp fidơ, anten sẽ trở thành tảicủa máy phát hoặc máy thu Trị số của tải này được đặc trưng bởi một đại lượng gọi

là trở kháng vào của anten Trong trường hợp tổng quát, trở kháng vào là một đạilượng phức bao gồm cả phần thực và phần kháng, được xác định bằng tỷ số giữa điện

áp đầu vào của anten và dòng điện đầu vào

(1.17)Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình họccủa anten, điểm và phương tiếp điện cho anten

Thành phần thực bao gồm điện trở bức xạ và phần điện trở tổn hao Thànhphần ảo của nó biểu thị phần công suất vô công không bức xạ ra ngoài

1.3.6 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.

Trong một số hệ thống thông tin vô tuyến, ví dụ trong thông tin vệ tinh, côngsuất bức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạđẳng hướng tương đương, ký hiệu là EIRP

Công suất này được định nghĩa:

(1.18)

Trong đó là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và GT là hệ sốkhuếch đại của anten phát Chú ý rằng, nếu bỏ qua suy hao fiđơ nối từ máy phát đến

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương là công suất phát được bức xạ với

anten vô hướng, trong trường hợp này có thể coi

Biểu thức EIRP cũng có thể tính theo đơn vị decibel:

(1.20)

1.3.7 Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng.

Khi anten làm việc ở chế độ thu, công suất hay sức điện động cảm ứng lênanten sẽ phụ thuộc vào năng lượng trường điện từ do phía phát tạo ra tại nơi đặt antenthu và khả năng làm việc của anten thu Nếu anten là anten bức xạ mặt thì công suấtthu được tại anten sẽ là tích của mật độ thông lượng công suất với diện tích hiệu dụngcủa anten thu

Diện tích hiệu dụng được xác định bởi biểu thức:

(1.21)

 Trong đó:

• A là diện tích bức xạ hay cảm ứng thực tế của anten

• là hiệu suất làm việc của anten

Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng và hệ số khuếch đại của anten thu được biểu thịbởi biểu thức:

(1.22)

 Trong đó:

• là diện tích hiệu dụng của anten (m)

• là hệ số khuếch đại của anten thu

1.3.8 Dải tần công tác của anten.

Dải tần công tác của anten là khoảng tần số làm việc của anten mà trong khoảngtần số đó các thông số của anten không thay đổi hoặc thay đổi trong phạm vi chophép

Thường dải tần công tác của anten được phân làm bốn nhóm: