Lý thuyết chung về ANTEN
- 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
- Quá trình vật lý bức xạ sóng điện từ
+ Điện trường xoáy : Là điện trường có các đường sức không bị ràng buộc với các điện tích tạo ra nó mà tự bản thân chúng khép kín.
Sóng điện từ được hình thành từ quy luật của điện từ trường biến thiên, trong đó điện trường xoáy biến đổi tạo ra từ trường biến đổi Từ trường này lại sinh ra một điện trường xoáy mới, và quá trình này lặp đi lặp lại, dẫn đến sự hình thành sóng điện từ.
Hình 3: Quá trình truyền lan sóng điện
- Quá trình vật lý bức xạ sóng điện từ
+ Khảo sát quá trình bức xạ
Tổng quan lý thuyết anten loa
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 phát xạ từ đầu hở của ống dẫn sóng chữ nhật vẫn chưa được giải quyết một cách chặt chẽ, chỉ có thể áp dụng các phương pháp gần đúng Trong nghiên cứu này, giả thiết rằng phần đầu của ống dẫn sóng chỉ truyền sóng H10 là cần thiết Để loại trừ các loại sóng khác, kích thước của ống dẫn sóng cần phải đáp ứng những điều kiện nhất định.
Trên mặt mở của ống dẫn sóng, một phần sóng phản xạ xảy ra, dẫn đến sự xuất hiện của các sóng bậc cao bị tắt dần, tạo nên cấu trúc trường khác biệt so với phần đầu ống Ngoài ra, các dòng mặt cũng xuất hiện trên bề mặt ngoài của ống dẫn sóng Tuy nhiên, với mức độ gần đúng, có thể bỏ qua các sóng bậc cao và dòng trên bề mặt, giả thiết rằng cấu trúc trường trên mặt mở (z = 0) tương tự như trong phần đều của ống dẫn sóng.
Hình 2.1: Đầu hở của ống dẫn sóng chữ nhật
Mặt mở của ống dẫn sóng chữ nhật được coi là một mặt đồng pha với biên độ phân bố đều trong mặt phẳng điện và cosin trong mặt phẳng từ Tham số 1 có thể được xác định thông qua các phương pháp thực nghiệm hoặc các công thức gần đúng.
Các thành phần ngang của điện và từ trường trên mặt mở liên quan với nhau bằng hệ thức:
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:
Cường độ trường trong mặt phẳng từ |E | H cũng được tính bằng cách tương tự:
Sau khi tính tích phân ta có:
Các đặc trưng hướng trong các mặt phẳng chính có dạng:
Các biểu thức trong ngoặc thể hiện đặc trưng hướng của yếu tố trên mặt mở f 1 (,), trong khi các hàm số của E và H là các thừa số của hệ f hệ (,) Hình 2.2 minh họa các đặc trưng hướng cho ống dẫn sóng tiêu chuẩn với kích thước a = 0,72 λ và b = 0,32 λ.
Hình 2.2 minh họa đặc trưng hướng của ống dẫn sóng chữ nhật trong hai mặt phẳng E và H Khi hệ số phản xạ 1 = 0, và 1 = 0,17, đồ thị thể hiện sự so sánh các đặc trưng hướng tính theo công thức (2.8) và (2.9) Kết quả cho thấy ở nửa không gian phía trước, các đường cong này gần như không khác biệt, điều này xuất phát từ việc giá trị của 1 ở bước sóng công tác không lớn.
Khi hệ số phản xạ nhỏ, việc tính toán kỹ thuật có thể được đơn giản hóa bằng cách sử dụng các công thức dễ hơn, vì ảnh hưởng của 1 chỉ tác động đến f 1 (,).
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
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:
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
D max 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.
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 H 11 Trường của sóng này trong mặt cắt của ống dẫn sóng có cấu trúc mô tả như Hình 2.3b.
Hình 2.3 minh họa tính đặc trưng hướng của ống dẫn sóng tròn hở đầu cuối trong mặt phẳng điện và từ, bao gồm dạng chung của nguồn phát xạ và mặt phát xạ Để tính toán đặc trưng hướng, chúng ta sử dụng hệ tọa độ cực (ρ, Γϕ') cho các thành phần trường điện từ của sóng H11 trong mặt mở, đồng thời xem xét sự phản xạ từ mặt mở.
Bước sóng của sóng H11 trong ống dẫn sóng tròn có thể được xác định thông qua hệ số phản xạ Γ1, được tính từ bài toán phát xạ tại đầu hở của ống dẫn sóng.
Từ biểu thức (2.14) và (2.15) ta có thể tìm được biểu thức cho các thành phần trường ở vùng xa:
(2.17) Ở đây 1 ( ) :Hàm lambda bậc một
Từ đó suy ra đặc trưng hướng trong các mặt phẳng chính có dạng:
- Trong mặt phẳng điện yoz (= /2)
Nếu bỏ qua hệ số phản xạ và gần đúng khi đó ta có:
(2.21) Điều kiện để tồn tại sóng H 11 trong ống dẫn sóng:
(2.22) Độ rộng cánh sóng chính:
2.2.2 Hệ số định hướng của ống dẫn sóng tròn
Các loại anten loa
Các nguồn phát xạ ống dẫn sóng đều là những nguồn định hướng yếu
Để khắc phục nhược điểm của D max = 2 5 và hệ số phản xạ tương đối cao, cần sử dụng các cấu trúc phối hợp, bao gồm các loại loa.
Loa là thiết bị dẫn sóng với thiết diện tăng dần, giúp ngăn chặn sóng bậc cao Có nhiều loại loa khác nhau, bao gồm loa quạt H, loa quạt E, loa tháp, loa nón, loa 2 nón 1 phía và loa 2 nón 2 phía.
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
Kích thước điện của mặt mở loa có thể lớn hơn nhiều so với ống dẫn sóng, dẫn đến tính định hướng tăng cao Điều này cho phép thu hẹp cánh sóng từ 8 đến 10 độ Hơn nữa, sự biến đổi từ từ của diện tích mặt loa giúp phối hợp hiệu quả giữa ống dẫn sóng cấp điện và không gian tự do, với loa được xem như một cấu trúc chuyển tiếp dần Do đó, hệ số phản xạ từ mặt mở loa tương đối nhỏ so với trường hợp ống dẫn sóng hở.
Trong loa, cấu trúc và các tham số của trường từ biến đổi dần từ ống dẫn sóng ra không gian tự do Vận tốc pha, bước sóng và trở kháng sóng thay đổi liên tục từ các giá trị ở trong ống dẫn sóng (tại "cổ" loa) đến các giá trị ở không gian tự do (tại mặt mở).
Các anten loa có dải thông rộng, được thiết kế từ các anten độc lập và bộ chiếu xạ cho gương và thấu kính Loa quạt có hình dạng cánh sóng “quạt”, với độ rộng cánh sóng hẹp trong một mặt phẳng và rộng trong mặt phẳng còn lại Loa tháp và nón có đặc trưng hướng dạng “kim”, với độ rộng cánh sóng gần như tương đương trong cả hai mặt phẳng Loa 2 nón một phía mang đặc trưng hướng “phễu”, trong khi loa 2 nón hai phía có hướng dạng “đĩa”, thể hiện sự vô hướng trong một mặt phẳng và hẹp trong mặt phẳng khác.
Do những khó khăn lớn về toán học, lý thuyết về anten loa vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, chủ yếu dựa vào các phương pháp gần đúng Đầu tiên, cần xác định trường trong loa, với giả thiết loa là vô hạn và thành của nó dẫn điện lý tưởng Phần này được giải quyết chặt chẽ trước khi chuyển sang loa có chiều dài hữu hạn, giả định rằng trường trong loa ít bị thay đổi Cuối cùng, trường trong vùng xa được xem xét, trong đó trường dòng ở mặt ngoài của thành loa nhỏ hơn nhiều so với trường trên mặt mở, do đó có thể bỏ qua.
2.3.2 Loa quạt H Để tìm các biểu thức đối với các thành phần của trường ở trong loa ta giả thiết: loa dẫn điện, dài vô hạn, loa được kích thích bằng sóng H 10 trong ống dẫn sóng chữ nhật Ta cũng chỉ tính toán đối với sóng cơ bản vì các sóng bậc cao ở vùng “cổ” loa là những sóng không truyền được Để dễ dàng ghi các điều kiện biên ta dùng hệ toạ độ trụ (, , y) Rõ ràng là vì đối với sóng H 10 ở trong ống dẫn sóng 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:
(2.25) 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 diễn dưới dạng tích của 2 hàm, mỗi hàm chỉ phụ thuộc 1 biến.
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 báo.
Nghiệm của phương trình Bessen có thể viết dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các hàm Hankel loại 1 và 2 bậc p.
Nghiệm của phương trình điện báo (2.28) là:
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:
Tại chỗ nối giữa ống dẫn sóng và loa, cần đảm bảo tính liên tục của các thành phần tiếp tuyến của trường ở mặt phân cách Điều này xác định biên độ trường trong loa, nhưng trong trường hợp này, điều kiện này không quan trọng, do đó chúng ta sẽ không đặt ra yêu cầu này.
Khi đứng ở khoảng cách xa loa, sóng âm chỉ di chuyển theo hướng từ loa ra xa, vì chúng ta giả định loa là vô hạn, do đó không có sóng ngược Điều này tương đương với điều kiện phát xạ của sóng.
Hai điều kiện biên đầu tiên cho ta xác định được giá trị p và 0 như sau:
(2.32) (2.33) 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:
Thừa số pha cho thấy sự phụ thuộc theo thời gian của hàm mô tả sóng, với sóng di chuyển từ vô cực đến đỉnh loa và sóng từ đỉnh loa hướng tới tăng Trong trường hợp này, chỉ phần trường được mô tả bằng hàm mới có ý nghĩa, vì vậy cần đặt 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:
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 H 10 thì sóng cơ bản (sóng “loa” H 10 ) có biên độ lớn nhất, vì thế m = 1 Khi đó:
Cấu trúc trường trong loa giống cấu trúc trường của sóng H 10 ở trong ống dẫn 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 tồn tại bước sóng tới hạn, và tất cả các sóng đều có khả năng truyền lan Giá trị của loa trong ống dẫn sóng gần đạt giá trị tối ưu trong không gian tự do (v c) Về mặt vật lý, hiện tượng này có thể được giải thích thông qua sự mở rộng diện tích mặt cắt ngang của loa trong ống dẫn sóng.
,vì thế khi tăng a thì (v c).
Khi tăng kρ, thành phần từ trường Hρ giảm nhanh hơn so với Hϕ, dẫn đến việc ở xa loa, trường có đặc trưng ngang tương tự như sóng TEM Hiện tượng này xảy ra khi cách xa đỉnh loa vài bước sóng Phân bố biên độ và pha của trường trên mặt mở của loa cũng chịu ảnh hưởng từ sự thay đổi này.
Giả định rằng mặt mở phẳng của loa nằm tại vị trí sóng trụ đã hình thành Sử dụng biểu thức tiệm cận (2.34) cùng với công thức (2.36), ta có thể diễn đạt biểu thức trường trên mặt mở của loa như sau:
Vì thế ta có thể viết:
Đối với anten loa thông thường, kích thước mặt mở aL thường nhỏ so với chiều dài loa R, dẫn đến việc trên mặt mở x λ3.3mm
- LODS=λ (chiều dài ống dẫn sóng)
Tham số kích thước loa quạt H
Tham số kích thước loa quạt E
Tham số kích thước loa tháp
Thiết kế anten trên phần mềm
FEKO Bảng các tham số
Anten ống dẫn sóng Angten loa quạt H
Angten loa tháp Angten loa quạt E
Kết quả sau khi mô phỏng angten loa
3.4.1 Anten ống dẫn sóng (ODS) Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng H Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E
Hệ số tăng ích của angten: Gmax=5.96(dBi)
3.4.2 Anten loa quạt E Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng H Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E
Hệ số tăng ích của angten: Gmax.78(dBi) Độ rộng cánh sóng ở mức nửa công suất
3.4.3 Anten loa quạt H Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng H Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E
Hệ số tăng ích của angten: Gmax=7.87(dBi) Độ rộng cánh sóng ở mức nửa công suất
3.4.4 Anten loa tháp Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng H Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E
Hệ số tăng ích của angten: Gmax.63(dBi) Độ rộng cánh sóng ở mức nửa công suất 2θ0.5(H) = 43.21
