Bài tiểu luận anten loa anten gương ( Truyền sóng và anten)

Nguyên lý bức xạ mặt Nguyên lý chung - Ở dải song cực ngắn, để nhận được anten có tính hướng hẹp thường sử dụng loại anten theo nguyên lý bức xạ mặt, đó là các bề mặt được kích thích bởi

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG 1

TIỂU LUẬN TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

ĐỀ TÀI: ANTEN LOA VÀ ANTEN GƯƠNG

Thành viên nhóm:

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại xã hội phát triển mạnh mẽ như hiện nay, chúng ta đang được sống trong

kỷ nguyên số, kỷ nguyên của công nghệ thông tin, máy tính và không thể không kể đến các hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt là các hệ thống thông tin di động đã và đang phát triển rất mạnh mẽ Việc chúng ta nắm rõ và hiểu biết quá trình truyền sóng và anten là kiến thức vô cùng quan trọng và không thể thiếu đối với các bạn yêu thích công nghệ nói chung

và các bạn sinh viên ngành Viễn thông nói riêng Bởi vì bất cứ một hệ thống vô tuyến nào cũng phải sử dụng anten để phát và thu tín hiệu Trong cuộc sống hằng ngày chúng ta dễ dàng bắt gặp được các hệ thống anten như: Anten dùng cho truyền hình mặt đất, BTS cho mạng điện thoại di động, hay những vật dụng cầm tay như bộ đàm, điện thoại, radio,… cũng đều được sử dụng anten Chính vì vậy mà hôm nay chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về anten loa và anten gương

Tài liệu sử dụng trong bài tiểu luận:

- Bài giảng Truyền sóng và anten – Biên soạn: TS Đặng Thế Ngọc – ThS Nguyễn

Viết Minh

- Slide bài giảng Truyền sóng và anten – Thầy Nguyễn Viết Minh

- Slide bài giảng Truyền song và anten – Thầy Nguyễn Việt Hưng

Trong quá trình làm bài, nhóm 08 bọn em không thể tránh khỏi những thiếu xót vì vậy rất mong nhận được đóng góp từ các bạn và thầy cô Xin cảm ơn!

Chủ đề tìm hiểu về anten loa và anten gương

I Giới thiệu chung về anten góc mở

- Anten loa và anten gương đều là anten góc mở

- Đặc điểm cơ bản của anten góc mở:

Với anten góc mở, việc bức xạ xảy ra từ góc mở của anten

Hoạt động của anten dựa trên nguyên lý bức xạ mặt

Một anten góc mở buộc phải có chiều dài góc mở và có độ rộng ít nhất vài lần bước

song để có hệ số khuếch đại cao

 Đó là lý do anten góc mở có ứng dụng quan trọng trong bang tần siêu cao với bước song chỉ vài cm.

II Nguyên lý bức xạ mặt

Nguyên lý chung

- Ở dải song cực ngắn, để nhận được anten có tính hướng hẹp thường sử dụng loại anten theo nguyên lý bức xạ mặt, đó là các bề mặt được kích thích bởi trường điện từ bức xạ

từ một nguồn sơ cấp nào đó

- Trường kích thích tạo ra trên bề mặt đó điện trường E và từ trường H vuông góc với

nhau  bề mặt trở thành nguồn bức xạ thứ cấp và được gọi là mặt bức xạ của anten

- Khi bề mặt bức xạ phẳng thì mặt phẳng đó gọi là mặt mở của anten hay còn gọi là khẩu độ của anten

Đặc điểm

- Sử dụng phổ biến ở dải song cực ngắn (cỡ GHZ trở lên)

- Tạo anten có tính hướng hẹp

- Các anten điển hình: Anten loa và anten gương

Bài toán tổng quát

- Miệng anten có diện tích S, trên đó có các thành phần trường E và H có biên độ và pha phân bố theo một quy luật xác định

- Chọn hệ tọa độ với trục Z trùng với hướng vecto pháp tuyến ngoài của mặt

Khảo sát quá trình bức xạ

- Trường kích thích trên miệng anten là hàm số theo tọa độ của mặt bức xạ:

Trong đó:

là biên độ phức của vectơ cường độ từ trường trên bề mặt bức xạ

là biên độ phức của vecto cường độ từ trường tại gốc tọa độ

F(x,y) là hàm phân bố phức của trường

(x,y) là hàm phân bố biên độ

ѱ(x,y) là hàm phân bố pha

- Trở kháng bề mặt:

- Áp dụng nguyên lý dòng mặt tương đương để phân tích bức xạ bề mặt Mật độ dòng điện mặt

Mật độ dòng điện từ mặt

- Mặt bức xạ là lý tưởng là phẳng, các thành phần tiếp tuyến của trường đồng biên và đồng pha

- Chọn trục z trùng với phương truyền của song tới kích thích, với 2 thành phần:

- Thay vào (6.1) và (6.2)

• Mặt bức xạ hình chữ nhật

- Xét trong mặt phẳng E (mặt phẳng yOz) φ = 90

- Xét trong mặt phẳng H (mặt phẳng xOz) φ = 0

- Hàm tính hướng

- Hình 6.2 Đồ thị tính hướng với mặt bức xạ hình chữ nhật

 Độ rộng búp song trong mỗi mặt phẳng chỉ phụ thuộc kích thước anten theo mặt phẳng ấy.

III Anten loa

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Anten loa được cấu tạo từ anten ống dẫn sóng, là kiểu anten bức xạ mặt đơn giản nhất Lý thuyết về ống dẫn sóng biết rằng khi sóng truyền tới miệng ống dẫn sóng

hở thì một phần năng lượng của sóng sẽ phản xạ trở lại và một phần năng lượng sẽ bức

xạ ra không gian bên ngoài Trường ở miệng ống là trường tổng hợp của sóng tới và sóng phản xạ Nếu mở rộng kích thước miệng ống theo các phương án khác nhau thì

ta sẽ nhận được các kiểu anten loa khác nhau Nếu ống dẫn sóng là ống chữ nhật và kích thước miệng ống được mở rộng trong mặt phẳng chứa vectơ từ trường thì loa được gọi là loa mở theo mặt H, viết tắt là loa H

Nếu ống dẫn sóng là chữ nhật và kích thước được mở rộng trong mặt phẳng chứa vectơ điện trường ta được loa mở theo mặt điện trường (loa E)

Nếu ống dẫn sóng là chữ nhật và kích thước được mở rộng theo cả hai mặt phẳng chứa vectơ điện trường, từ trường ta được loa hình tháp

Nếu ống dẫn sóng là hình tròn ta có loa hình nón

Hình 6.3 Các anten loa: a) Nón vách nhẵn b) Nón vách gấp nếp c) loa hình tháp d) loa E và e) loa H

Để khảo sát nguyên lý làm việc của anten loa ta khảo sát mặt cắt dọc của anten loa (hình 6.4)

Hình 6.4 Năng lượng cao tần được truyền theo ống dẫn sóng đến cổ loa dưới dạng sóng phẳng ở đây một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại còn đại bộ phận tiếp tục truyền theo thân loa dưới dạng sóng phân kỳ tới miệng loa Tại miệng loa phần lớn năng lượng được bức xạ ra ngoài, một phần phản xạ trở lại Sự phản xạ sóng ở cổ loa càng lớn khi góc mở của loa càng lớn còn sự phản xạ sóng tại miệng loa càng nhỏ khi kích thước miệng loa càng lớn Sóng truyền đi trong loa có thể coi là sóng cầu có tâm pha tại O, do đó tại mặt phẳng miệng loa không phải là mặt đồng pha Nếu loa có chiều dài

R cố định, muốn diện tích miệng loa lớn để tạo được bức xạ mạnh thì góc mở của loa phải lớn Nhưng điều này làm cho sóng phản xạ tại miêng loa càng lớn và sự sai pha giữa các phần tử bức xạ trên miêng loa càng lớn, gây méo pha theo hướng trục z, làm xấu tính hướng của anten Bởi vậy khi tính toán anten loa có thể chọn góc mở và độ dài R của loa thích hợp, để anten loa có tính hướng tốt nhất

a) Xét trường họp loa E

Chiều dài từ tâm pha O đến mép loa L được xác định theo công thức:

Hiệu đường đi của tia sóng từ tâm pha đến mép miệng loa với tâm loa :

sẽ gây ra lệch pha của các phần tử nằm ở mép loa so với tâm loa một góc là k ΔL Trong mặt phẳng E để có tính hướng tốt thì góc lệch pha cho phép trong mặt phẳng E là

k ΔL ≤ π/2

Ta có:

b) Xét trường hợp loa H

Cũng chứng minh tương tự như trong trường hợp loa E, nhưng trong mặt phẳng

H điện trường E ở mép loa bằng 0, có nghĩa là các phần tử nguyên tố bức xạ mặt càng

ở xa tâm loa bức xạ càng yếu đi, do thành phần điện trường tiếp tuyến trên bề mặt mỗi nguyên tố giảm dần cho tới 0 tại mép loa Bởi vậy cho phép góc lệch pha của phần tử bức xạ ở tâm loa so với các phần tử bức xạ ở mép loa lón hơn trường hợp cho trong mặt phẳng E, nghĩa là k.ΔL ≤ 0,75π từ đó ta có:

c) Xét trường hợp loa hình nón

Với R0 là bán kính của miệng loa

Loa có chiều dài loa R thỏa mãn điều kiện bằng trong các biểu thức (6.34), (6.35), (6.36) được gọi là loa tối ưu, ta có

Loa E:

Loa H:

Hình 6.21 Đồ thị phương hướng của anten loa

Loa nón:

2 Tính hướng của anten loa

Đối với anten loa E , độ rộng búp sóng được xác định

(6.37)

Đối với anten loa H , độ rộng búp sóng được xác định

(6.38)

Để độ rộng búp sóng chính trong hai mặt phẳng E và H bằng nhau thì các cạnh của loa phải thỏa mãn điều kiện a1 = 1,5 b1

Hệ số hướng tính của anten loa được tính theo biểu thức

Ở đây S là diện tích của miệng loa, υ là hệ số sử dụng bề mặt miệng loa Hệ số

sử dụng bề mặt của miệng loa luôn nhỏ hơn 1 do biên độ và pha của trường trên miệng loa khác nhau so với tâm loa

Để tăng hệ số hướng tính của anten loa cần phải tăng kích thước miệng loa Ví

dụ để đạt được D = 4500 (36,6 dBi) với bước sóng công tác 5 cm, thì miệng loa phải

có kích thước a1 = 1,5 m và b1 = 1m, chiều dài loa phải lớn hơn 10 m

Anten loa thường được sử dụng làm anten bức xạ sơ cấp (bộ chiếu xạ) cho các loại anten có mặt bức xạ thứ cấp như anten parabol, anten cassegrain Nó cũng được

sử dụng làm các anten độc lập trong các hệ thống thông tin vệ tinh Khi đó kích thước của loa rất lớn

IV Anten gương

1 Nguyên lý chung

- Nguyên lý làm việc của anten gương tương tự như nguyên lý làm việc của gương quang học

- Khảo sát hoạt động của anten gương ở chế độ phát sóng Sóng sơ cấp với dạng mặt sóng và hướng truyền lan nhất định, sau khi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành sóng thứ cấp với dạng mặt sóng và hướng truyền lan biến đổi theo yêu cầu Việc biến đổi này là nhờ hình dạng và kết cấu đặc biệt của mặt phản xạ (gọi là gương)

- Gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu hoặc sóng trụ bức xạ từ nguồn sơ cấp với tính hướng kém thành sóng phẳng (hoặc gần phẳng) với năng lượng tập trung trong một không gian hẹp

có tính hướng mong muốn

- Gương phản xạ thứ cấp được dùng phổ biến nhất là gương parabol, một số sử dụng gương hyperbol

2 Anten gương parabol

a Anten parabol là một Anten sử dụng một gương phản xạ parabol, một bề mặt cong với hình dạng cắt ngang của một parabol, để định hướng sóng vô tuyến

b Anten gương parabol làm việc theo nguyên lý bức xạ mặt thứ cấp

c Nguyên lý cấu tạo gồm 1 mặt phản xạ cong theo đường cong parabol, làm bằng vật liệu có hệ số phản xạ cao (Rpx≈1), thường bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm, mặt phẳng phản xạ phải nhẵn để sóng phản xạ không bị tán xạ Một mặt phản xạ (gương) tròn xoay có mặt cong theo đường cong theo đường cong parabol, mặt phản xạ đảm bảo cơ chế hội tụ để tập trung năng lượng vào một phương cho trước; một bộ chiếu xạ đặt tại tiêu điểm F của gương, thực chất bộ chiếu xạ là một anten sơ cấp: bức xạ sóng cầu (với gương parabol tròn xoay) hay một nguồn bức xạ thẳng dọc theo trục tiêu (gương parabol trụ)

Chú thích:

 L được gọi là khẩu độ, đây chính là đường kính của miệng gương parabol

 f được gọi là tiêu cự, khoảng cách từ tiêu điểm F đến đỉnh gương O

 Trục ox, trục đi qua đỉnh gương được gọi là trục quang

 h được gọi là độ sâu của gương parabol

Xét quãng đường đi của hai tia sóng xuất phát từ bộ chiếu xạ đặt tại tiêu điểm của gương: một tia trùng với quang trục của gương và phản xạ tại đỉnh gương, đến miệng gương tại O’; một tia phản xạ tại điểm A bất kỳ trên mặt gương và đến miệng gương tại B Ta sẽ có

FO + OO’= FA + AB = k (với k là hằng số).Quãng đường đi dài như nhau có nghĩa rằng sóng phát từ tiêu điểm có phân bố pha đồng đều trên mặt mở Thuộc tính này cùng với thuộc tính các tia song song có nghĩa là mặt sóng là mặt phẳng Như vậy phát xạ từ mặt phản xạ parabol tròn xoay giống như phát xạ một sóng phẳng từ một mặt phẳng vuông góc với trục và chứa

đường chuẩn (đường vuông góc với FO và đi qua điểm đối xứng với F qua đỉnh O trên trục,

độ dài của đường chuẩn là đường kính của miệng gương parabol còn gọi là đường kính của anten parabol) Cần lưu ý rằng theo nguyên lý đảo lẫn, các tính chất này cũng áp dụng cho cả

anten ở chế độ thu

d Tỷ số giữa đường kính của miệng gương và tiêu điểm là một tỷ số quan trọng, nên ta đi xét tỷ số này Ký hiệu đường kính của miệng gương là d, ta được:

Vị trí của tiêu điểm so với mặt phản xạ đối với các giá trị f/d khác nhau được cho ở hình Đối với f/d<0,25, anten sơ cấp (tiếp sóng) nằm trong không gian giữa mặt phản xạ và miệng gương và chiếu xạ giảm mạnh ở biên của mặt phản xạ Đối với f/d>0,25, anten sơ cấp nằm ngoài miệng gương vì thế chiếu xạ trở nên đồng đều hơn, nhưng một phần bị tràn ra ngoài bộ phản xạ Ở chế độ phát sự tràn này là sự phát xạ của anten sơ cấp hướng đến bộ phản

xạ nhưng vượt ra ngoài góc

e Đồ thị phương hướng của anten parabol: Năng lượng của sóng điện từ được phản xạ từ gương và tập trung xung quanh quang trục của gương, được gọi là búp sóng chính Tuy nhiên, do có sự ảnh hưởng bởi sự che chắn của các thanh

đỡ bộ chiếu xạ cũng như của chính bộ chiếu xạ nên gây ra miền tối ở phía sau

bộ chiếu xạ bộ chiếu xạ bức xạ sóng sơ cấp một phần sóng truyền ra ngoài mặt gương; mặt phản xạ không phẳng tuyệt đối nên khi phản xạ một phần năng lượng bị tán xạ Do đó đồ thị phương hướng của anten gương parabol ngoài

búp sóng chính còn có các búp sóng phụ Độ rộng búp sóng chính hay góc nửa công suất của đồ thị phương hướng được xác định theo công thức:

Hay:

Trong đó: f là tần số công tác (GHz), d là đường kính miệng gương (m), λ bước sóng công tác (m)

f Hiệu suất làm việc của anten parabol: Ở anten parabol không phải tất cả năng lượng sóng bức xạ từ nguồn sơ cấp (bộ chiếu xạ) đều được phản xạ từ gương parabol Một phần năng lượng sóng được hấp thụ từ gương và một phần khác

bị tán xạ ra xung quang mép gương do mặt gương không phẳng tuyệt đối Thêm vào đó, bộ chiếu xạ đặt ở giữa gương cộng với giá đỡ sẽ che chắn mất một phần miệng gương (tạo nên một vùng tối đối diện với gương) Chính vì thế mà trong thực tế hiệu suất của anten parabol chỉ đạt được khoảng 55- 70 % công suất bức xạ từ bộ chiếu xạ

Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đạicủa anten gương parabol tròn xoay:

Trong đó:

 d đường kính miệng gương (m)

 λ bước sóng công tác (m)

 η hiệu suất làm việc của anten

 S là diện tích thực của miệng anten

Nếu biểu thị theo đơn vị decibel ta có:

Chú ý: Hệ số hướng tính D và hệ số khuếch đại G trong các công thức trên được tính ở hướng bức xạ cực đại

3 Anten hai gương: Anten Cassegrain

a Anten Cassegrain gồm một gương phản xạ parabol tròn xoay còn gọi là gương chính, một gương phản xạ hyperbol còn gọi là gương phụ và bộ chiếu xạ dùng anten loa Bộ chiếu xạ được bố trí sao cho tâm loa nằm ở giữa đỉnh parabol Gương phụ có hai tiêu điểm: một trùng với tiêu điểm của gương chính và một trùng với tâm pha của bộ chiếu xạ

b Anten biến đổi sóng cầu từ bộ chiếu xạ thành sóng phẳng đồng pha ở miệng gương chínhsau hai lần phản xạ liên tiếp tại gương phụ và gương chính

c Ưu điểm của anten Cassegrain là độ rộng búp sóng chính của đồ thị phương hướng nhỏ hơn so với anten parabol đơn, bộ chiếu xạ đặt ở ngay đỉnh gương chính nên rất thuận lợi cho viếc cấp điện Gương phản xạ phụ được lắp phía trước gương phản xạ chính nói chung có kích cỡ nhỏ hơn loa tiếp sóng và gây

ra che tối ít hơn Như vậy, anten Cassegrain cũng có nhược điểm là gương phụ chắn mất một phần không gian ở trước gương chính gây ra miền tối, làm cho phân bố biên độ của trường không đồng đều, giảm tính định hướng của anten

d Hệ thống Cassegrain được sử dụng rộng rãi cho các trạm mặt đất

4 Anten Gregorian

Một dạng khác của anten hai gương là anten Gregorian Anten gồm một gương phản

xạ parabol tròn xoay chính và một gương phản xạ phụ elip tròn xoay Cũng như ở trường hợp trên, gương phản xạ phụ có hai tiêu điểm, một trùng với tiêu điểm của gương phản xạ chính và điểm kia trùng với tâm pha của loa tiếp sóng Hoạt động của hệ thống Gregorian

có nhiều điểm giống như Cassegrain

V Kết luận

Anten là thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống thông tin vô tuyến Tùy vào tính chất của mỗi hệ thống thông tin vô tuyến người ta sử dụng các loại anten thích hợp

Có rất nhiều loại anten khác nhau hiện đang được sử dụng Trong bài tiểu luận đã

đề cập đến một số loại anten được dùng phổ biến, các anten bức xạ mặt được sử dụng ở tần số cao hơn Ưu điểm của chúng là đạt được được tính hướng rất cao Anten loa là một dạng anten được sử dụng phổ biến trong thông tin vệ tinh Loa có thể sử dụng như một anten độc lập hay thường xuyên hơn nó được sử dụng làm các

bộ tiếp song cho các anten gương Các anten gương parabol được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin chuyển tiếp mặt đất cũng như hệ thống thông tin vệ tinh Tiếp song cho các anten này có thể là các loa được đặt tại chính tâm hoặc lệch tâm Trường hợp thứ hai cho phép tránh được hiện tượng che tối nhưng đòi hỏi phải

có các biện pháp để tạo phân bố trường chiếu xạ đều hơn trên mặt mở của parabol

và giá đỡ bộ phản xạ cũng phức tạp hơn Các anten phản xạ kép cũng được sử dụng