BÁO cáo THIẾT kế ANTEN LOA thiết kế anten loa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐHQG HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO THIẾT KẾ ANTEN LOA NHÓM :4 Thành viên thực : Giảng viên môn: Dương Văn Hùng (Leader)-18020591 TS.Trần Cao Quyền Vũ Đức Thành-18021190 Vũ Oanh-18020987 Nguyễn Đức Mạnh-18020875 Phan Đức Quang-18021055 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Sự bùng nổ nhu cầu thơng tin vơ tuyến nói chung thơng tin di động nói riêng năm gần thúc đẩy phát triển công nghệ truyền thông vô tuyến Trước hết phải kể đến Anten loa Nhờ ưu điểm bật nó, mà Anten loa lựa chọn làm Anten hệ thống tin vô tuyến như: Điện thoại di động cầm tay, kỹ thuật đo lường từ xa Các ưu điểm Anten loa kể đến như: có khối lượng kích thước nhỏ, bề dày mỏng, chi phí sản xuất hàng loạt, có khả phân cực tuyến tính với kỹ thuật tiếp điện đơn giản, đường cung cấp linh kiện phối hợp trở kháng sản xuất đồng thời với việc chế tạo Anten hỗ trợ hai, tuyến tính phân cực trịn Bên cạnh ưu điểm vượt trội, Anten loa cịn số khuyết điểm cần khắc phục là: Băng thơng hẹp, vấn đề dung sai, số Anten có độ lợi thấp, khả tích trữ cơng suất thấp Tuy nhiên nay, có nhiều ứng dụng địi hỏi anten phải có kích thước nhỏ, băng thơng rộng đồng thời lại phải có khả hoạt động nhiều dải tần khác Nhận thấy tầm quan trọng vấn đề nên nhóm tơi định chọn đề tài : "Thiết kế Anten loa" làm đề tài nhóm Mục đích nghiên cứu Mục tiêu đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế mô Anten loa Đối tượng phạm vi nghiên cứu Anten loa Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết kết hợp với mô Anten loa Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận, hướng phát triển đề tài tài liệu tham khảo, bao gồm chương: - I : Tổng quan lý thuyết anten - II : Tổng quan lý thuyết anten loa - III: Thiết kế, mô anten loa - IV: Tài liệu tham khảo Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu tập hợp báo, sách tham khảo, luận văn trích dẫn suốt luận văn liệt kê phần tài liệu tham khảo cuối báo cáo Thiết kế anten loa I Lý thuyết chung ANTEN 1.Giới thiệu II Tổng quan lý thuyết anten loa 2.1 Sự phát xạ từ đầu hở ống dẫn sóng chữ nhật 2.1.1 Trường mặt mở ống dẫn sóng chữ nhật 2.1.2 Đặc trưng hướng 10 2.1.3 Hệ số định hướng Diện tích hiệu dụng 13 2.2 Sự phát xạ từ đầu hở ống dẫn sóng trịn 14 2.2.1 Đặc trưng hướng 14 2.2.2 Hệ số định hướng ống dẫn sóng tròn 18 2.3 Các loại anten loa 18 2.3.1 Nguyên lý hoạt động 18 2.3.2 Loa quạt H 20 2.3.3 Loa quạt E 31 2.3.4 Loa tháp 35 2.3.5 Loa nón 36 2.3.6 Anten ống dẫn sóng anten loa với phân cực elip 36 2.4 Các phương pháp hoàn thiện cấu trúc tham số anten loa 40 2.4.1 Tăng dải tần anten loa theo đặc trưng hướng 40 2.4.2 Làm giảm phản xạ từ cổ miệng loa 41 2.4.3 Làm giảm kích thước dọc loa, hiệu chỉnh pha 42 2.5 Ứng dụng 42 III Thiết kế, mô với anten loa 45 3.1.Nội dung thiết Kế 45 3.2.Tổng quát angten loa 45 3.3.Các tham số kích thước 45 3.4.Kết sau mô 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 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 ANTEN 1.Giới thiệu - Vai trò anten : Là thiết bị xạ sóng điện từ khơng gian thu nhận sóng điện từ từ khơng gian bên ngồi + Anten phát: Biến đổi tín hiệu điện cao tần từ máy phát thành sóng điện từ tự lan truyền khơng gian + Anten thu: Tập trung lượng sóng điện từ khơng gian thành tín hiệu điện cao tần đưa đến máy thu Hình 1: Hình ảnh minh họa - Các loại anten : Hình 2: Một số loại anten - Q trình vật lý xạ sóng điện từ + Điện trường xoáy : Là điện trường có đường sức khơng bị ràng buộc với điện tích tạo mà tự thân chúng khép kín + Điều kiện tạo sóng điện từ : Quy luật điện từ trường biến thiên, điện trường xoáy biến thiên sinh từ trường biến đổi Bản thân từ trường biến đổi lại sinh điện trường xốy Q trình lặp lại sóng điện từ hình thành Hình 3: Quá trình truyền lan sóng điện - Q trình vật lý xạ sóng điện từ + Khảo sát q trình xạ II Tổng quan lý thuyết anten loa 2.1 Sự phát xạ từ đầu hở ống dẫn sóng chữ nhật 2.1.1 Trường mặt mở ống dẫn sóng chữ nhật Bài toán phát xạ từ đầu hở ống dẫn sóng chữ nhật chưa giải chặt chẽ, giải phương pháp gần Khi đó, người ta giả thiết rằng, phần đầu ống dẫn sóng truyền loại sóng H10 Để loại trừ sóng khác kích thước ống dẫn sóng phải thỏa mãn điều kiện: Trên mặt mở (Hình 2.1) xảy phản xạ phần Ngồi sóng (H10) cịn xuất sóng bậc cao bị tắt dần, trường mặt mở có cấu trúc khác với trường phần đầu ống dẫn sóng Trên mặt ngồi thành ống dẫn sóng cịn xuất dòng mặt Thực tế cho thấy với mức độ gần sóng bậc cao dịng mặt ngồi ống dẫn sóng khơng cần xét đến ta giả thiết trường mặt mở (z = 0) có cấu trúc phần ống dẫn sóng Hình 2.1: Đầu hở ống dẫn sóng chữ nhật Như vậy, với giả thiết gần mặt mở ống dẫn sóng chữ nhật mặt đồng pha phân bố biên độ mặt phẳng điện cosin mặt phẳng từ 1 xác định thực nghiệm theo công thức gần đúng: (2.2) Các thành phần ngang điện từ trường mặt mở liên quan với hệ thức: (2.3) Nếu ý tới (2.2) thì: 2.1.2 Đặc trưng hướng Phân bố trường mặt mở phân bố tách biến, đặc trưng hướng mặt phẳng điện tìm theo phương pháp mặt mở Giá trị biên độ cường độ điện trường mặt phẳng điện xác định biểu thức sau: Nếu ý tới (2.1) (2.3) ta có: Đối với mặt phẳng điện yoz (Hình 2.1): Tích phân theo tọa độ x, y ta có: (2.4) Ở đây: (2.5) Cường độ trường mặt phẳng từ |E|H tính cách tương tự: 10 Nguyên lý làm việc loa sau: sóng qua “cửa sổ” thành khoảng cách (song song với E) d H > /2 không qua dH < /2 Vì với min < < max thành phần gần mặt mở suốt trường phần gần đỉnh không suốt Mặt mở phát xạ hiệu dụng dịch chuyển dần phía trước tăng bước sóng làm việc, đó, kích thước hình học tăng lên loa có đặc trưng hướng khơng thay đổi dải tần rộng 2.4.2 Làm giảm phản xạ từ cổ miệng loa Ở ta có nhận xét phản xạ cổ miệng loa không lớn Ở thiết bị lớn, để giảm phản xạ người ta dùng số biện pháp bổ sung Để giảm phản xạ từ cổ loa người ta dùng thiết bị chuyển tiếp từ từ, chẳng hạn chuyển tiếp hàm mũ (Hình 2.16) Ngồi ra, chuyển tiếp làm giảm biên độ sóng bậc cao xuất loa Có thể làm giảm phản xạ từ miệng loa cách làm thành vng góc với vector E có chiều dài khác Đồng thời: Hình 2.16: Phương pháp làm giảm phản xạ cổ miệng loa 41 Trong trường hợp này, sóng phản xạ từ biên trái pha bù trừ đáng kể 2.4.3 Làm giảm kích thước dọc loa, hiệu chỉnh pha Như ta thấy, chiều dài tối ưu loa tỷ lệ với bình phương độ rộng mặt mở loa Để đặc trưng hướng hẹp lại, ta phải làm loa có chiều dài lớn bề mặt cấu trúc làm khơng có lợi Phương pháp hiệu để làm giảm chiều dài loa hoàn thiện đặc trưng hướng dùng thấu kính đặt sát miệng loa làm đồng pha mặt mở Trong trường hợp đó, chiều dài loa gần tiêu cự thấu kính Một phương pháp có hiệu khác (nhưng khó khăn kỹ thuật) loa quanh trục song song với mặt mở Phương pháp thứ thay loa dài dàn gồm nhiều loa ngắn (Hình 2.17) Các anten kích thích đồng pha, sai pha mặt mở giảm đáng kể Trong trường hợp áp dụng phương pháp tính tốn hệ nguồn gián đoạn Dải thông dàn nhiều loa nhỏ so với dải thơng loa dài Hình 2.17: Dàn đồng pha gồm nhiều loa 2.5 Ứng dụng - Anten loa thường sử dụng làm anten xạ sơ cấp (bộ chiếu xạ) cho loại anten có mặt xạ thứ cấp anten parabol, anten cassegrain 42 - Ăng-ten loa phổ biến UHF (300Mhz-3GHz) tần số cao - Sử dụng làm anten độc lập hệ thống thông tin vệ tinh, radar, Khi kích thước loa lớn 43 44 III Thiết kế, mô với anten loa 3.1.Nội dung thiết kế - Thông số angten - Tính tốn sơ tham số kích thước angten - Thiết kế angten phần mêm FEKO - Kết sau mô angten loa - So sánh nhận xét 3.2.Tổng quát anten loa -Thiết kế angten loa tháp hoạt động tần số f=9 GHz, chiều dài ống dẫn sóng LODS=λ , chiều dài loa R=λ -Mơ hình hóa angten ống dẫn sóng, angten loa quạt H, angten loa quạt E, loa tháp -Đồ thị xạ 3D, đồ thị xạ mặt phẳng E , mặt phẳng H -Hệsố tăng ích cực đại angten -Độ rộng cánh sóng theo mức nửa cơng suất mặt phẳng E H -Lập bảng so sánh 3.3.Các tham số kích thước - Tham số kích thước ODS - Tần số hoạt động f=9 GHz => λ=33.3mm - a=0.72λ ( thành rộng) - b=0.32λ ( thành hẹp) - LODS=λ (chiều dài ống dẫn sóng) - Mặt phẳng E: yOz - Mặt phẳng H: xOz 45 Tham số kích thước loa quạt H Tham số kích thước loa quạt E 46 Tham số kích thước loa tháp Thiết kế anten phần mềm FEKO Bảng tham số 47 Anten ống dẫn sóng Angten loa quạt H Angten loa tháp Angten loa quạt E 48 3.4.Kết sau mô angten loa 3.4.1 Anten ống dẫn sóng (ODS) Đồ thị xạ mặt phẳng H Đồ thị xạ mặt phẳng E Hệ số tăng ích angten: Gmax=5.96(dBi) Độ rộng cánh sóng mức nửa cơng suất 2θ0.5(H) = 62.41 49 2θ0.5(E) = 143.76 3.4.2 Anten loa quạt E Đồ thị xạ mặt phẳng H Đồ thị xạ mặt phẳng E Hệ số tăng ích angten: Gmax=10.78(dBi) Độ rộng cánh sóng mức nửa công suất 50 2θ0.5(H) = 72.59 2θ0.5(E) = 37.40 3.4.3 Anten loa quạt H 51 Đồ thị xạ mặt phẳng H Đồ thị xạ mặt phẳng E Hệ số tăng ích angten: Gmax=7.87(dBi) Độ rộng cánh sóng mức nửa cơng suất 2θ0.5(H) = 35.67 2θ0.5(E) = 133.84 52 3.4.4 Anten loa tháp Đồ thị xạ mặt phẳng H Đồ thị xạ mặt phẳng E Hệ số tăng ích angten: Gmax=12.63(dBi) Độ rộng cánh sóng mức nửa công suất 2θ0.5(H) = 43.21 2θ0.5(E) = 38.54 53 3.5.Bảng so sánh nhận xét 3.5.1.Bảng so sánh 3.5.2Nhận xét : - Hệ số tăng ích tăng ta kết hợp ống dẫn sóng loa quạt - Khi thay đổi kích thước thành rộng , hệ số tăng ích tăng dần , độ rộng cánh sóng theo mức nửa công suất giảm dần mặt phẳng E, mặt phẳng H tùy theo loa quạt - Loa quạt E tăng tịnh định hướng cho mặt phẳng E - Loa quạt H tăng tịnh định hướng cho mặt phẳng H - Loa tháp tăng tính định hướng cho mặt phẳng - Khi ta tăng aL bL ta angten loa tháp có đặc trưng hướng tốt , nhiên kích thước angten cồng kềnh - Khi đổi chiều dài a->aL (loa quạt H) hay b->bL (loa quạt E) tính định hướng angten mặt phẳng tương ứng tăng lên độ rộng cánh sóng mặt phẳng khơng thay đổi nhiều 54 IV Tài liệu tham khảo [1] Antennas and Radio wave propagation Robert E.Collin, 1991 [2] Giáo trình : Lý thuyết kỹ thuật anten GS.TS.Phan Anh, 1999 [3] Analysis and Design of Mobile Device Antenna–Speaker Integration for Optimum Over-the-Air Performance 0𝑆wiss Federal Institute of Technology (EPFL), 1015 Lausanne, Switzerland 55 ... tập trung nghiên cứu, thiết kế mô Anten loa Đối tượng phạm vi nghiên cứu Anten loa Phương pháp nghiên cứu Lý thuyết kết hợp với mô Anten loa Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận, hướng phát... hợp Đó loại loa Loa ống dẫn sóng có thiết diện tăng dần cách thích hợp để tránh sóng bậc cao xuất Có nhiều loại loa khác nhau: Loa quạt H, loa quạt E, loa tháp, loa nón, loa nón phía, loa nón phía... kích thước loa quạt H Tham số kích thước loa quạt E 46 Tham số kích thước loa tháp Thiết kế anten phần mềm FEKO Bảng tham số 47 Anten ống dẫn sóng Angten loa quạt H Angten loa tháp Angten loa quạt