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

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THƠNG TIỂU LUẬN TRUYỀN SĨNG VÀ ANTEN ĐỀ TÀI: ANTEN LOA VÀ ANTEN GƯƠNG Giảng viên: Nguyễn Viết Minh Nhóm: 08 Thành viên nhóm: LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại xã hội phát triển mạnh mẽ nay, sống kỷ nguyên số, kỷ ngun cơng nghệ thơng tin, máy tính khơng thể không kể đến hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt hệ thống thông tin di động phát triển mạnh mẽ Việc nắm rõ hiểu biết trình truyền sóng anten kiến thức vơ quan trọng khơng thể thiếu bạn u thích cơng nghệ nói chung bạn sinh viên ngành Viễn thơng nói riêng Bởi hệ thống vô tuyến phải sử dụng anten để phát thu tín hiệu Trong sống ngày dễ dàng bắt gặp hệ thống anten như: Anten dùng cho truyền hình mặt đất, BTS cho mạng điện thoại di động, hay vật dụng cầm tay đàm, điện thoại, radio,… sử dụng anten Chính mà hơm tìm hiểu anten loa anten gương Tài liệu sử dụng tiểu luận: - Bài giảng Truyền sóng anten – Biên soạn: TS Đặng Thế Ngọc – ThS Nguyễn - Viết Minh Slide giảng Truyền sóng anten – Thầy Nguyễn Viết Minh Slide giảng Truyền song anten – Thầy Nguyễn Việt Hưng Trong q trình làm bài, nhóm 08 bọn em khơng thể tránh khỏi thiếu xót mong nhận đóng góp từ bạn thầy Xin cảm ơn! Chủ đề tìm hiểu anten loa anten gương I - Giới thiệu chung anten góc mở Anten loa anten gương anten góc mở Đặc điểm anten góc mở: Với anten góc mở, việc xạ xảy từ góc mở anten Hoạt động anten dựa nguyên lý xạ mặt Một anten góc mở buộc phải có chiều dài góc mở có độ rộng vài lần bước song để có hệ số khuếch đại cao  Đó lý anten góc mở có ứng dụng quan trọng bang tần siêu cao với bước song vài cm II Nguyên lý xạ mặt Nguyên lý chung - Ở dải song cực ngắn, để nhận anten có tính hướng hẹp thường sử dụng loại anten theo nguyên lý xạ mặt, bề mặt kích thích trường điện từ xạ - từ nguồn sơ cấp Trường kích thích tạo bề mặt điện trường E từ trường H vng góc với -  bề mặt trở thành nguồn xạ thứ cấp gọi mặt xạ anten Khi bề mặt xạ phẳng mặt phẳng gọi mặt mở anten hay gọi độ anten Đặc điểm - Sử dụng phổ biến dải song cực ngắn (cỡ GHZ trở lên) Tạo anten có tính hướng hẹp Các anten điển hình: Anten loa anten gương - Bài toán tổng quát Miệng anten có diện tích S, có thành phần trường E H có biên độ pha - phân bố theo quy luật xác định Chọn hệ tọa độ với trục Z trùng với hướng vecto pháp tuyến ngồi mặt Khảo sát q trình xạ - Trường kích thích miệng anten hàm số theo tọa độ mặt xạ: Trong đó: biên độ phức vectơ cường độ từ trường bề mặt xạ biên độ phức vecto cường độ từ trường gốc tọa độ F(x,y) hàm phân bố phức trường (x,y) hàm phân bố biên độ ѱ(x,y) hàm phân bố pha - Trở kháng bề mặt: - Áp dụng nguyên lý dịng mặt tương đương để phân tích xạ bề mặt Mật độ dòng điện mặt Mật độ dòng điện từ mặt - Mặt xạ lý tưởng phẳng, thành phần tiếp tuyến trường đồng biên đồng pha - Chọn trục z trùng với phương truyền song tới kích thích, với thành phần: - Thay vào (6.1) (6.2) • Mặt xạ hình chữ nhật - Xét mặt phẳng E (mặt phẳng yOz) φ = 90 - Xét mặt phẳng H (mặt phẳng xOz) φ = - Hàm tính hướng - Hình 6.2 Đồ thị tính hướng với mặt xạ hình chữ nhật  Độ rộng búp song mặt phẳng phụ thuộc kích thước anten theo mặt phẳng III Anten loa Cấu tạo nguyên lý làm việc Anten loa cấu tạo từ anten ống dẫn sóng, kiểu anten xạ mặt đơn giản Lý thuyết ống dẫn sóng biết sóng truyền tới miệng ống dẫn sóng hở phần lượng sóng phản xạ trở lại phần lượng xạ khơng gian bên ngồi Trường miệng ống trường tổng hợp sóng tới sóng phản xạ Nếu mở rộng kích thước miệng ống theo phương án khác ta nhận kiểu anten loa khác Nếu ống dẫn sóng ống chữ nhật kích thước miệng ống mở rộng mặt phẳng chứa vectơ từ trường loa gọi loa mở theo mặt H, viết tắt loa H Nếu ống dẫn sóng chữ nhật kích thước mở rộng mặt phẳng chứa vectơ điện trường ta loa mở theo mặt điện trường (loa E) Nếu ống dẫn sóng chữ nhật kích thước mở rộng theo hai mặt phẳng chứa vectơ điện trường, từ trường ta loa hình tháp Nếu ống dẫn sóng hình trịn 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 e) loa H Để khảo sát nguyên lý làm việc anten loa ta khảo sát mặt cắt dọc anten loa (hình 6.4) Hình 6.4 Năng lượng cao tần truyền theo ống dẫn sóng đến cổ loa dạng sóng phẳng phần lượng phản xạ trở lại đại phận tiếp tục truyền theo thân loa dạng sóng phân kỳ tới miệng loa Tại miệng loa phần lớn lượng xạ ngoài, phần phản xạ trở lại Sự phản xạ sóng cổ loa lớn góc mở loa lớn cịn phản xạ sóng miệng loa nhỏ kích thước miệng loa lớn Sóng truyền loa coi sóng cầu có tâm pha O, mặt phẳng miệng loa mặt đồng pha Nếu loa có chiều dài R cố định, muốn diện tích miệng loa lớn để tạo xạ mạnh góc mở loa phải lớn Nhưng điều làm cho sóng phản xạ miêng loa lớn sai pha phần tử xạ miêng loa lớn, gây méo pha theo hướng trục z, làm xấu tính hướng anten Bởi tính tốn anten loa chọn góc mở độ dài R loa thích hợp, để anten loa có tính hướng tốt a) Xét trường họp loa E Chiều dài từ tâm pha O đến mép loa L xác định theo công thức: Hiệu đường tia sóng từ tâm pha đến mép miệng loa với tâm loa : gây lệch pha phần tử nằm mép loa so với tâm loa góc k ΔL Trong mặt phẳng E để có tính hướng tốt góc lệch pha cho phép mặt phẳng E k ΔL ≤ π/2 Ta có: b) Xét trường hợp loa H Cũng chứng minh tương tự trường hợp loa E, mặt phẳng H điện trường E mép loa 0, có nghĩa phần tử nguyên tố xạ mặt xa tâm loa xạ yếu đi, thành phần điện trường tiếp tuyến bề mặt nguyên tố giảm dần mép loa Bởi cho phép góc lệch pha phần tử xạ tâm loa so với phần tử xạ mép loa lón trường hợp cho mặt phẳng E, nghĩa k.ΔL ≤ 0,75π từ ta có: c) Xét trường hợp loa hình nón Với R0 bán kính miệng loa Loa có chiều dài loa R thỏa mãn điều kiện biểu thức (6.34), (6.35), (6.36) gọi loa tối ưu, ta có Loa E: Loa H: Hình 6.21 Đồ thị phương hướng anten loa Loa nón: Tính hướng anten loa Đối với anten loa E , độ rộng búp sóng xác định (6.37) Đối với anten loa H , độ rộng búp sóng xác định (6.38) Để độ rộng búp sóng hai mặt phẳng E H cạnh loa phải thỏa mãn điều kiện a1 = 1,5 b1 Hệ số hướng tính anten loa tính theo biểu thức Ở S diện tích miệng loa, υ hệ số sử dụng bề mặt miệng loa Hệ số sử dụng bề mặt miệng loa nhỏ biên độ pha trường miệng loa khác so với tâm loa Để tăng hệ số hướng tính anten loa cần phải tăng kích thước miệng loa Ví dụ để đạt D = 4500 (36,6 dBi) với bước sóng cơng tác cm, miệng loa phải có kích thước a1 = 1,5 m b1 = 1m, chiều dài loa phải lớn 10 m 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 Nó sử dụng làm anten độc lập hệ thống thông tin vệ tinh Khi kích thước loa lớn IV Anten gương Nguyên lý chung - Nguyên lý làm việc anten gương tương tự nguyên lý làm việc gương quang học Khảo sát hoạt động anten gương chế độ phát sóng Sóng sơ cấp với dạng mặt sóng hướng truyền lan định, sau phản xạ từ mặt gương trở thành sóng thứ cấp với dạng mặt sóng hướng truyền lan biến đổi theo yêu cầu Việc biến đổi nhờ hình dạng kết - cấu đặc biệt mặt phản xạ (gọi gương) Gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu sóng trụ xạ từ nguồn sơ cấp với tính hướng thành sóng phẳng (hoặc gần phẳng) với lượng tập trung khơng gian hẹp - có tính hướng mong muốn Gương phản xạ thứ cấp dùng phổ biến gương parabol, số sử dụng gương hyperbol Anten gương parabol a Anten parabol Anten sử dụng gương phản xạ parabol, bề mặt cong với hình dạng cắt ngang parabol, để định hướng sóng vơ tuyến b Anten gương parabol làm việc theo nguyên lý xạ mặt thứ cấp c Nguyên lý cấu tạo gồm mặt phản xạ cong theo đường cong parabol, làm vật liệu có hệ số phản xạ cao (Rpx≈1), thường nhôm hợp kim nhôm, mặt phẳng phản xạ phải nhẵn để sóng phản xạ khơng bị tán xạ Một mặt phản xạ (gương) trịn xoay có mặt cong theo đường cong theo đường cong parabol, mặt phản xạ đảm bảo chế hội tụ để tập trung lượng vào phương cho trước; chiếu xạ đặt tiêu điểm F gương, thực chất chiếu xạ anten sơ cấp: xạ sóng cầu (với gương parabol tròn xoay) hay nguồn xạ thẳng dọc theo trục tiêu (gương parabol trụ) Chú thích:     L gọi độ, đường kính miệng gương parabol f gọi tiêu cự, khoảng cách từ tiêu điểm F đến đỉnh gương O Trục ox, trục qua đỉnh gương gọi trục quang h gọi độ sâu gương parabol Xét quãng đường hai tia sóng xuất phát từ chiếu xạ đặt tiêu điểm gương: tia trùng với quang trục gương phản xạ đỉnh gương, đến miệng gương O’; tia phản xạ điểm A mặt gương đến miệng gương B Ta có FO + OO’= FA + AB = k (với k số).Quãng đường dài có nghĩa sóng phát từ tiêu điểm có phân bố pha đồng mặt mở Thuộc tính với thuộc tính tia song song có nghĩa mặt sóng mặt phẳng Như phát xạ từ mặt phản xạ parabol tròn xoay giống phát xạ sóng phẳng từ mặt phẳng vng góc với trục chứa đường chuẩn (đường vng góc với FO qua điểm đối xứng với F qua đỉnh O trục, độ dài đường chuẩn đường kính miệng gương parabol cịn gọi đường kính anten parabol) Cần lưu ý theo nguyên lý đảo lẫn, tính chất áp dụng cho anten chế độ thu d Tỷ số đường kính miệng gương tiêu điểm tỷ số quan trọng, nên ta xét tỷ số Ký hiệu đường kính miệng gương d, ta được: Vị trí tiêu điểm so với mặt phản xạ giá trị f/d khác cho hình Đối với f/d0,25, anten sơ cấp nằm ngồi miệng gương chiếu xạ trở nên đồng hơn, phần bị tràn phản xạ Ở chế độ phát tràn phát xạ anten sơ cấp hướng đến phản xạ vượt góc e Đồ thị phương hướng anten parabol: Năng lượng sóng điện từ phản xạ từ gương tập trung xung quanh quang trục gương, gọi búp sóng Tuy nhiên, có ảnh hưởng che chắn đỡ chiếu xạ chiếu xạ nên gây miền tối phía sau chiếu xạ chiếu xạ xạ sóng sơ cấp phần sóng truyền ngồi mặt gương; mặt phản xạ không phẳng tuyệt đối nên phản xạ phần lượng bị tán xạ Do đồ thị phương hướng anten gương parabol ngồi búp sóng cịn có búp sóng phụ Độ rộng búp sóng hay góc nửa cơng suất đồ thị phương hướng xác định theo cơng thức: Hay: Trong đó: f tần số công tác (GHz), d đường kính miệng gương (m), λ bước sóng cơng tác (m) f Hiệu suất làm việc anten parabol: Ở anten parabol khơng phải tất lượng sóng xạ từ nguồn sơ cấp (bộ chiếu xạ) phản xạ từ gương parabol Một phần lượng sóng hấp thụ từ gương phần khác bị tán xạ xung quang mép gương mặt gương không phẳng tuyệt đối Thêm vào đó, chiếu xạ đặt gương cộng với giá đỡ che chắn phần miệng gương (tạo nên vùng tối đối diện với gương) Chính mà thực tế hiệu suất anten parabol đạt khoảng 55- 70 % công suất xạ từ chiếu xạ Hệ số hướng tính hệ số khuếch đạicủa anten gương parabol trịn xoay: Trong đó:     d đường kính miệng gương (m) λ bước sóng công tác (m) η hiệu suất làm việc anten S diện tích thực miệng anten Nếu biểu thị theo đơn vị decibel ta có: Chú ý: Hệ số hướng tính D hệ số khuếch đại G cơng thức tính hướng xạ cực đại Anten hai gương: Anten Cassegrain a Anten Cassegrain gồm gương phản xạ parabol tròn xoay cịn gọi gương chính, gương phản xạ hyperbol gọi gương phụ chiếu xạ dùng anten loa Bộ chiếu xạ bố trí cho tâm loa nằm đỉnh parabol Gương phụ có hai tiêu điểm: trùng với tiêu điểm gương trùng với tâm pha chiếu xạ b Anten biến đổi sóng cầu từ chiếu xạ thành sóng phẳng đồng pha miệng gương chínhsau hai lần phản xạ liên tiếp gương phụ gương c Ưu điểm anten Cassegrain độ rộng búp sóng đồ thị phương hướng nhỏ so với anten parabol đơn, chiếu xạ đặt đỉnh gương nên thuận lợi cho viếc cấp điện Gương phản xạ phụ lắp phía trước gương phản xạ nói chung có kích cỡ nhỏ loa tiếp sóng gây che tối Như vậy, anten Cassegrain có nhược điểm gương phụ chắn phần không gian trước gương gây miền tối, làm cho phân bố biên độ trường khơng đồng đều, giảm tính định hướng anten d Hệ thống Cassegrain sử dụng rộng rãi cho trạm mặt đất Anten Gregorian Một dạng khác anten hai gương anten Gregorian Anten gồm gương phản xạ parabol tròn xoay gương phản xạ phụ elip trịn xoay Cũng trường hợp trên, gương phản xạ phụ có hai tiêu điểm, trùng với tiêu điểm gương phản xạ điểm trùng với tâm pha loa tiếp sóng Hoạt động hệ thống Gregorian có nhiều điểm giống Cassegrain 5 V Kết luận Anten thiết bị thiếu hệ thống thơng tin vơ tuyến Tùy vào tính chất hệ thống thông tin vô tuyến người ta sử dụng loại anten thích hợp Có nhiều loại anten khác sử dụng Trong tiểu luận đề cập đến số loại anten dùng phổ biến, anten xạ mặt sử dụng tần số cao Ưu điểm chúng đạt được tính hướng cao Anten loa dạng anten sử dụng phổ biến thơng tin vệ tinh Loa sử dụng anten độc lập hay thường xuyên sử dụng làm tiếp song cho anten gương Các anten gương parabol sử dụng rộng rãi hệ thống thông tin chuyển tiếp mặt đất hệ thống thông tin vệ tinh Tiếp song cho anten loa đặt tâm lệch tâm Trường hợp thứ hai cho phép tránh tượng che tối địi hỏi phải có biện pháp để tạo phân bố trường chiếu xạ mặt mở parabol giá đỡ phản xạ phức tạp Các anten phản xạ kép sử dụng thông tin vệ tinh, cho phép đặt tiếp sóng tâm chảo phản xạ bảo dưỡng quay anten tiện Anten Cassegrain bao gồm hai phản xạ: phản xạ phụ có hình hyperbol trịn xoay phản xạ parabol trịn xoay Anten Gregorian có phản xạ parabol trịn xoay phản xạ phụ elip tròn xoay  ... biểu thức (6 .34), (6 .35), (6 .36) gọi loa tối ưu, ta có Loa E: Loa H: Hình 6.21 Đồ thị phương hướng anten loa Loa nón: Tính hướng anten loa Đối với anten loa E , độ rộng búp sóng xác định (6 .37)... phản xạ sóng cổ loa lớn góc mở loa lớn cịn phản xạ sóng miệng loa nhỏ kích thước miệng loa lớn Sóng truyền loa coi sóng cầu có tâm pha O, mặt phẳng miệng loa khơng phải mặt đồng pha Nếu loa có... thước anten theo mặt phẳng III Anten loa Cấu tạo nguyên lý làm việc Anten loa cấu tạo từ anten ống dẫn sóng, kiểu anten xạ mặt đơn giản Lý thuyết ống dẫn sóng biết sóng truyền tới miệng ống dẫn sóng