Anten dùng trong thông tin vi ba

CHƯƠNG 6 ANTEN DÙNG TRONG THƠNG TIN VI BA 6.1 GIỚI THIỆU CHUNG 6.1.1 Các chủ đề được trình bày trong chương - Yêu cầu và đặc điểm của anten trong thơng tin vi ba - Anten nhiều chấn tử - Anten khe - Nguyên lý bức xạ mặt - Anten loa - Các Anten gương 6.1.2 Hướng dẫn - Hoc kỹ các phần được trình bày trong chương - Tham khảo thêm [1], [2], [3] - Trả lời các câu hỏi và bài tập 6.1.3 Mục đích của chương - Nắm được yêu cầu và đặc điểm của anten trong thơng tin vi ba - Nắm được cấu tạo, nguyên lý làm việc và một số tham số của các loại anten sử dụng trong thơng tin viba. 6.2 ĐẶC ĐIỂM VÀ YÊU CẦU CỦA ANTEN DÙNG TRONG THƠNG TIN VI BA 6.2.1 Các hệ thống thơng tin vi ba và băng tần sử dụng Vi ba là đoạn sĩng vơ tuyến điện được sử dụng nhiều trong các hệ thống thơng tin vơ tuyến hiện nay như thơng tin di động sử dụng băng tần 800 – 950 MHz hoặc băng tần 2 GHz. Thơng tin vệ tinh sử dụng trong một phạm vi rộngcủa sĩng vi ba khoảng từ 1,5 – 44 GHz và được chia ra nhiều băng khác nhau cho các dịch vụ khác nhau. Hệ thống thơng tin vơ tuyến chuyển tiếp trên mặt đất (cịn được gọi là hệ thống thơng tin vi ba) làm việc ở dải tần khoảng tử 1 – 10 GHz. Băng tần của sĩng vi ba được sử dụng cho nhiều hệ thống thơng tin với nhiều dịch vụ viễn thơng khác nhau, nên việc lựa chọn và ấn định băng tần thích hợp cho mỗi loại thơng tin là rất cần thiết, sao cho việc sử dụng băng tần cĩ được hiệu quả nhất, tránh được can nhiễu giữa các hệ thống thơng tin hoặc trong cùng một hệ thống với nhau. 6.2.2 Đặc điểm truyền lan sĩng Như đã đề cập trong phần truyền sĩng, các sĩng vi ba cĩ bước sĩng rất nhỏ nên nếu truyền lan bằng phương pháp truyền lan sĩng bề mặt sẽ bị mặt đất hấp thụ rất lớn, cự ly thơng tin sẽ rất gần. Hơn nữa, vì bước sĩng nhỏ nên khả năng nhiễu xạ qua các chướng ngại vật gặp trên đường truyền lan kém, chỉ cần một vật chắn nhỏ sĩng sẽ khơng truyền qua được. Cũng khơng thể sử dụng phương pháp truyền lan sĩng bằng tầng điện ly để truyền sĩng vi ba bởi vì đối với sĩng này thì tầng điện ly trở nên trong suốt khi nĩ truyền qua, nghĩa là sĩng sẽ xuyên qua tầng điện ly mà ít chịu ảnh hưởng của mơi trường. Do đĩ phương pháp truyền sĩng chủ yếu dùng cho băng sĩng vi ba là truyền lan sĩng khơng gian, nghĩa là hai anten thu, phát phải đặt cao trên mặt đất và hướng bức xạ cực đại vào nhau. Khi truyền lan sĩng trong điều kiện đĩ sẽ xảy ra hiện tượng pha đinh sâu do sự giao thoa giữa sĩng tới trực tiếp và sĩng phản xạ từ nhiều mơi trường khác nhau tới... Do những đặc điểm nêu trên, anten dùng trong thơng tin vi ba cĩ các yêu cầu nhất định 6.2.3 Các yêu cầu đối với anten dùng trong thơng tin vi ba Tùy theo tính chất của mỗi hệ thống thơng tin vơ tuyến vi ba mà người ta sử dụng các loại anten thích hợp, với các yêu cầu khác nhau. Với các hệ thống thơng tin vơ tuyến chuyển tiếp trên mặt đất và thơng tin vệ tinh thì anten phải cĩ các yêu cầu: Hệ số khuếch đại phải lớn Khi tần số cơng tác tăng thì tổn hao trong khơng gian tự do tăng, tổn hao trên fiđơ tăng. Bởi vậy, khi tần số cơng tác tăng để bù vào tổn hao tăng đĩ thì hệ số khuếch đại của anten yêu cầu phải tăng để giảm nhỏ cơng suất đồng thời giảm được can nhiễu cũng như tạp âm và giảm được pha đinh do các tia phản xạ. Ví dụ với tần số cơng tác 2 GHz yêu cầu hệ số khuếch đại của anten là 30 – 35 dBi; khi tần số cơng tác là 4 GHz thì yêu cầu hệ số khuếch đại của anten là 39 – 43 dBi; khi tần số cơng tác là 6 GHz thì yêu cầu hệ số khuếch đại của anten là 43 – 46 dBi... Búp sĩng phụ phải nhỏ Yêu cầu búp sĩng phụ phải nhỏ để khơng gây nhiễu sang các hệ thống khác. Đồng thời búp sĩng phụ nhỏ thì hiệu suất làm việc của anten tăng dẫn đến hệ số khuếch đại tăng. Hệ số bảo vệ phải lớn Trong hệ thống thơng tin chuyển tiếp trên mặt đất ta thường quan tâm đến hệ số bảo vệ ở hướng ngược so với hướng chính (hướng bức xạ cực đại). Với các anten của hệ thống này, yêu cầu hệ số bảo vệ vào khoảng 65 - 70 dB. Trong hệ thống thơng tin vệ tinh, hệ số bảo vệ thường được quy định cho các búp phụ ở hướng bên cạnh để khơng gây can nhiễu cho các hệ thống vi ba trên mặt đất và các trạm vệ tinh bên cạnh. Theo khuyến nghị của CCIR đối với các anten cĩ d/l > 100, thì búp phụ bên cĩ hệ số khuếch đại Gs phải thỏa mãn yêu cầu sau: thì .Khi d/l < 100 thì Trong các hệ thống vi ba khác thì các yêu cầu trên lại khơng cần thiết hoặc lại cĩ yêu cầu ngược lại, như ở hệ thống thơng tin di động hoặc hệ thống phát vơ tuyến truyền hình thì các anten lại yêu cầu bức xạ vơ hướng hoặc cĩ tính hướng rộng trong mặt phẳng ngang (để tăng cường diện tích phủ sĩng) và cĩ tính hướng cao trong mặt phẳng thẳng đứng (để tập trung năng lượng) . Các yêu cầu chung đối với anten trong các hệ thống thơng tin vơ tuyến là: Giải tần cơng tác rộng: anten được dung trong thơng tin vơ tuyến thường truyền đi các tín hiệu cĩ phổ tần rộng nên yêu cầu anten phải cĩ dải tần rộng để khơng làm méo tín hiệu. Anten phải cĩ phối hợp trở kháng tốt với fiđơ hay ống dẫn sĩng, để cĩ hệ số sĩng chạy phải lớn hpn hoặc bằng 0,97. Anten phải cĩ kết cấu vững chắc chịu được giĩ bão, cĩ các thiết bị bảo vệ chống sét, mưa... Để cĩ được những yêu cầu trên, trong vi ba thường sử dụng nhiều loại anten khác nhau 6.3 ANTEN NHIỀU CHẤN TỬ 6.3.1 Anten dàn chấn tử Trong nhiều trường hợp thơng tin vơ tuyến, năng lượng bức xạ cần được tập trung tối đa về một phía. Điều đĩ cĩ nghĩa là anten cần cĩ đồ thị phương hướng đảm bảo tập trung năng lượng trong búp sĩng chính hẹp và giảm tối thiểu của các bức xạ nằm ngồi búp chính. Cĩ thể thực hiện được dạng đồ thị này bằng một dàn chấn tử. Anten dàn chấn tử hay cịn được gọi là dàn anten do hai hay nhiều chấn tử đơn hợp thành. Mỗi phần tử đơn là một chấn tử đối xứng riêng rẽ cĩ chiều dài một phần tư bước sĩng hoặc nửa bước sĩng. Chúng được sắp xếp sao cho các trường bức xạ của các chấn tử riêng rẽ cộng với nhau tạo nên trường bức xạ tổng tập trung năng lượng trong búp sĩng hẹp theo phương mong muốn. Cĩ hai cách bố trí các chấn tử trong một dàn chấn tử: đặt các chấn tử thẳng hàng dọc theo trục của chấn tử hoặc đặt các chấn tử song song với nhau, vuơng gĩc với trục của chấn tử. Việc sắp xếp các chấn tử như vậy được gọi là sắp xếp theo hàng và theo cột. Trường hợp dàn đơn giản nhất bao gồm hai chấn tử đã được xét trong chương 5. Dàn chấn tử đồng pha Dàn chấn tử đồng pha được sử dụng ở băng sĩng ngắn và băng sĩng cực ngắn. Anten bao gồm các chấn tử nửa sĩng được sắp xếp thành hàng và cột trong mặt phẳng với khoảng cách giữa các chấn tử bằng nửa bước sĩng cơng tác theo phương thẳng đứng và theo phương nằm ngang (hình 6.1). Số chấn tử dùng trong các hàng và cột thường chẵn. Để tiếp điện đồng pha cho các chấn tử cĩ thể sử dụng sơ đồ mắc liên tiếp, đường dây fiđơ bắt chéo (hình 6.1a) hoặc mắc song song từng cấp (hình 6.1b). - - - - + + + + - - - - + + + + l/2 l/2 a) b) Hình 6.1. Dàn chấn tử đồng pha Ở hình 6.1a, chiều dịng điện chảy trên các chấn tử được vẽ bởi các mũi tên. Việc bắt chéo đường dây tiếp điện giữa hai tầng nhằm đảm bảo tiếp điện đồng pha cho chấn tử ở các tầng. Ở hình 6.1b, với cách mắc song song từng cấp cĩ thể dễ dàng nhận thấy rằng độ dài của đường fidơ tiếp điện cho các chấn tử cĩ giá trị như nhau, do đĩ pha của dịng điện tiếp cho các chấn tử của dàn anten cũng giống nhau. Dàn chấn tử đồng pha cĩ đồ thị phương hướng tổng hợp giống như đồ thị phương hướng của chấn tử nửa sĩng nhưng do tập hợp nhiều chấn tử nửa sĩng cĩ pha giống nhau nên đồ thị phương hướng cĩ búp sĩng chính hẹp hơn nhiều và hệ số hướng tính lớn hơn nhiều so với chấn tử nửa sĩng đơn. Trong thực tế, để nhận được bức xạ đơn hướng người ta thường kết hợp dàn chấn tử với một mặt phẳng phản xạ hoặc một dàn chấn tử phản xạ. Mặt phản xạ cĩ thể là mặt kim loại hoặc lưới dây dẫn gồm các dây kim loại đặt song song nhau và đặt song song với dàn phát xạ ở một khoảng cách d nhất định, d = (0,2- 0,25)l. Dàn chấn tử phản xạ cĩ thể làm việc ở chế độ chủ động hoặc chế độ thụ động. Trong chế độ thụ động các chấn tử khơng nối với nguồn, dịng điện trong chúng cĩ được là do cảm ứng trường bức xạ của chấn tử chính. Việc điều chỉnh biên độ và pha dịng cảm ứng được thực hiện nhờ một đoạn dây fiđơ ngắn mạch cĩ độ dài biến đổi được. Trong chế độ chủ động, dàn chấn tử phản xạ được nối với nguồn thơng qua một bộ di pha, nhằm đảm bảo gĩc lệch pha cần thiết của dịng điện giữa dàn phản xạ và dàn chính. 6.3.2 Anten Yagi Đây là loại anten đang được sử dụng rộng rãi ở băng sĩng ngắn cũng như băng sĩng cực ngắn. Hoạt động của anten này cĩ nhiều ưu điểm về thơng số điện, đơn giản về cấu trúc, rất thích hợp với các loại máy thu truyền hình gia đình. Cấu tạo của anten yagi: Gồm một chấn tử chủ động (chấn tử được cấp nguồn) thường là chấn tử vịng dẹt nửa sĩng, một chấn tử phản xạ thụ động và một số chấn tử dẫn xạ thụ động (là chấn tử khơng được cấp nguồn). Các chấn tử được gắn trực tiếp trên một thanh đỡ thơng thường là bằng kim loại, như chỉ ra trên hình 6.2. Việc gắn trực tiếp các chấn tử lên thanh kim loại thực tế khơng ảnh hưởng gì đến các tham số của anten vì điểm giữa của các chấn tử nửa sĩng là nút của điện áp và các chấn tử đặt vuơng gĩc với thanh kim loại nên khơng cĩ dịng điện cảm ứng trong thanh. - 120 - 80 - 40 0 40 80 120 X22 (W) y a 40 80 120 160 0,2 0,4 0,6 0,8 y0 a Chấn tử phản xạ Chấn tử chủ động Chấn tử dẫn xạ D A P z Hình 6.2: Anten yagi Hình 6.3 Để tìm hiểu nguyên lý làm việc xét một anten yagi gồm 3 chấn tử: chấn tử chủ động A, chấn tử phản xạ P và chấn tử hướng xạ D. Chấn tử A được nối với máy phát cao tần và bức xạ sĩng điện từ, dưới tác dụng của trường bức xạ này trong P và D xuất hiện dịng cảm ứng và sinh ra bức xạ thứ cấp. Nếu chọn độ dài của P và khoảng cách từ A đến P thích hợp thì P sẽ trở thành chấn tử phản xạ của A. Khi đĩ, năng lượng bức xạ của cặp chấn tử A - P sẽ giảm yếu về phía chấn tử P (hướng -z) và được tăng cường ở hướng ngược lại (hướng + z). Tương tự, nếu chọn độ dài của chấn tử D và khoảng cách A đến D thích hợp thì D sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ của A. Khi ấy, năng lượng bức xạ của hệ A - D sẽ hướng về chấn tử D (hướng + z) và giảm yếu về hướng ngược lại (hướng -z). Kết quả năng lượng bức xạ của cả 3 chấn tử sẽ tập trung về một phía, hình thành một kênh dẫn sĩng dọc theo trục anten, hướng từ phía chấn tử phản xạ P về phía chấn tử dẫn xạ D. Việc tính tốn chính xác kích thước của các chấn tử phản xạ và dẫn xạ là một bài tốn phức tạp, thơng thường nĩ được tính tốn theo thực nghiệm dựa trên những lý thuyết và kết quả đã biết. Quan hệ về dịng điện trong chấn tử chủ động I1 và chấn tử thụ động I2 được biểu thị qua biểu thức: (6.1) với (6.2) Ở đây R12 và X12 là điện trở và điện kháng tương hỗ của chấn tử chủ động lên chấn tử thụ động; R22 và X22 là điện trở và điện kháng của bản thân chấn tử thụ động. Bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử thụ động, cĩ thể biến đổi độ lớn và dấu của điện kháng riêng X22 do đĩ sẽ biến đổi được a và y. Quan hệ giữa a và y với X22 khi chấn tử cĩ độ dài gần bằng nửa bước sĩng cơng tác và khoảng cách d = l /4 được biểu thị trên hình 6.3. Khoảng cách d tăng thì biên độ dịng trong chấn tử thụ động giảm. Tính tốn cho thấy rằng, với d khoảng từ 0,1 đến 0,25l thì nếu điện kháng của chấn tử mang tính cảm kháng sẽ nhận được I2 sớm pha hơn I1. Trong trường hợp này chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử phản xạ. Ngược lại, khi điện kháng của chấn tử thụ động mang tính dung kháng thì dịng I2 sẽ chậm pha hơn I1 và chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ. Trong thực tế, việc thay đổi điện kháng X22 của chấn tử thụ động được thực hiện bằng cách điều chỉnh độ dài cộng hưởng của chấn tử: khi độ dài chấn tử lớn hơn độ dài cộng hưởng thì X22 > 0, cịn khi độ dài chấn tử nhỏ hơn độ dài cộng hưởng thì X22 < 0. Vì vậy chấn tử phản xạ cĩ độ dài lớn hơn l/2, cịn chấn tử hướng xạ cĩ độ dài nhỏ hơn l/2. Thơng thường anten yagi chỉ cĩ một chấn tử làm nhiệm vụ phản xạ, vì trường bức xạ về phía chấn tử phản xạ đã bị chấn tử này làm yếu đáng kể, nếu cĩ thêm một chấn tử nữa đặt tiếp phía sau thì chấn tử phản xạ thứ hai sẽ cĩ dịng cảm ứng rất yếu do đĩ ít tác dụng. Để tăng cường hiệu quả phản xạ, trong một số trường hợp cĩ thể sử dụng mặt phản xạ kim loại, lưới kim loại, hoặc nhiều chấn tử đặt ở khoảng cách bằng nhau so với chấn tử chủ động, khoảng cách này thường được chọn trong khoảng từ 0,15l đến 0,25l. Trong khi đĩ, số chấn tử dẫn xạ cĩ thể gồm nhiều chấn tử. Vì trường bức xạ của anten được định hướng về phía các chấn tử dẫn xạ nên các chấn tử dẫn xạ tiếp theo vẫn được kích thích với cường độ khá mạnh. Số chấn tử dẫn xạ cĩ thể từ 2 tới vài chục. Khoảng cách giữa chấn tử chủ động với chấn tử dẫn xạ đầu tiên và giữa các chấn tử dẫn xạ kề nhau được chọn trong khoảng từ 0,1l đến 0,35l Chấn tử chủ động thường sử dụng là chấn tử vịng dẹt vì hai lý do chính: - Chấn tử vịng dẹt cĩ chiều dài l/2 nên tại điểm cấp điện cĩ nút điện áp bởi vậy cĩ thể gắn trực tiếp chấn tử lên thanh kim loại mà khơng cần cách điện. - Trở kháng vào của chấn tử vịng dẹt lớn (khoảng 300 W) nên thuờng tiện cho việc phối hợp trở kháng với fide đối xứng. Đồ thị phương hướng thực nghiệm của anten yagi gồm 8 chấn tử được chỉ ra trên hình 6.4, đường liền nét vẽ trong mặt phẳng H (mặt phẳng vuơng gĩc với các chấn tử); đường đứt nét vẽ trong mặt phẳng E (mặt phẳng chứa các chấn tử). 270o 0o 330o 30o 90o 180o Hình 6.4. Đồ thị phương hướng của anten yagi 6.3.3 Anten loga – chu kỳ Để mở rộng dải tần cơng tác của anten ta cĩ thể dựa vào nguyên lý tương tự của điện động học: Nếu biến đổi đồng thời bước sĩng cơng tác và tất cả các kích thước của anten theo một tỷ lệ giống nhau thì các đặc tính của anten như: đồ thị phương hướng, trở kháng vào... sẽ khơng biến đổi. Dựa vào nguyên lý này cĩ thể thiết lập các anten khơng phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiều khu vực cĩ kích thước hình học khác nhau nhưng tỷ lệ với nhau theo một hệ số nhất định. Khi anten làm việc với một tần số nào đĩ, chỉ cĩ một khu vực nhất định của anten tham gia vào quá trình bức xạ và được gọi là miền bức xạ. Khi thay đổi tần số cơng tác thì miền bức xạ sẽ dịch chuyển đến miền mới với tỷ lệ các kích thước hình học của các phần tử bức xạ so với bước sĩng cơng tác mới. Đây chính là nguyên lý cấu tạo anten loga -chu kỳ. Anten loga -chu kỳ được cấu tạo từ nhiều chấn tử cĩ độ dài khác nhau và đặt ở khoảng cách khác nhau. Anten được tiếp điện bằng fide đối xứng hay cáp đồng trục, như chỉ ra trên hình vẽ a l6 l5 l4 l3 l2 l1 Phiđơ cấp điện d1 d2 d5 Hình 6.5. Anten lơga-chu kỳ Kích thước và khoảng cách của các chấn tử biến đổi dần theo một tỷ lệ nhất định. Hệ số tỷ lệ này được gọi là chu kỳ của anten, và được xác định: (6.3) Trong đĩ d là khoảng cách giữa các chấn tử cịn là chiều dài chấn tử . Đặc tính của anten lơgarit chu kỳ được xác định bởi hai thơng số chủ yếu là: chu kỳ t và gĩc mở a Nếu máy phát làm việc ở một tần số fo nào đĩ, thì chấn tử cĩ chiều dài bằng lo/2 sẽ là chấn tử cộng hưởng và trở kháng vào của chấn tử đĩ sẽ là thuần trở và bằng 73,1 W. Trong khi đĩ trở kháng vào của các chấn tử khác sẽ cĩ thành phần điện kháng và giá trị của thành phần này càng lớn khi độ dài của nĩ càng khác nhiều với độ dài của chấn tử cộng hưởng, nghĩa là khi chấn tử ấy càng xa chấn tử cộng hưởng. Vì vậy chấn tử cộng hưởng được kích thích mạnh nhất. Vì dịng điện trong các chấn tử khơng cộng hưởng cĩ giá trị nhỏ, nên trường bức xạ của anten được quyết định chủ yếu bởi bức xạ của chấn tử cộng hưởng và một vài chấn tử lân cận với nĩ. Những chấn tử này tạo thành miền bức xạ của anten. Dịng điện trong các chấn tử của miền bức xạ được hình thành do cảm ứng trường của chấn tử cộng hưởng và nhận trực tiếp từ fide. Các chấn tử nằm ở phía trước cĩ độ dài nhỏ hơn độ dài cộng hưởng do đĩ trở kháng vào mang tính dung kháng, dịng cảm ứng trong nĩ chậm pha hơn so với dịng trong chấn tử cộng hưởng (hoặc các chấn tử cĩ độ dài lớn hơn nĩ). Các chấn tử nằm ở phía sau cĩ độ dài lớn hơn độ dài cộng hưởng nên trở kháng vào mang tính cảm kháng và dịng cảm ứng sớm pha hơn dịng trong chấn tử cộng hưởng (hay chấn tử ngắn hơn nĩ). Đối với dịng điện do fide cấp thì do cách tiếp điện chéo nên pha của dịng trong hai chấn tử kề nhau lệch pha 180o cộng với gĩc lệch pha do truyền sĩng trên đoạn fidơ mắc giữa hai chấn tử. Tập hợp tất cả yếu tố trên, sẽ nhận được dịng tổng hợp trong các chấn tử của miền bức xạ cĩ gĩc pha giảm dần theo chiều giảm kích thước của anten. Với quan hệ pha như trên, các chấn tử đứng phía trước chấn tử cộng hưởng sẽ thoả mãn điều kiện chấn tử hướng xạ, cịn chấn tử phía sau sẽ thoả mãn điều kiện chấn tử phản xạ. Bức xạ của anten sẽ được định hướng theo trục anten về phía chấn tử ngắn, tương tự anten yagi. Nếu anten làm việc ở tần số tfo, nghĩa là ở bước sĩng dài hơn, lúc đĩ chấn tử cộng hưởng sẽ dịch chuyển sang chấn tử cĩ độ dài lớn hơn kế đĩ. Ngược lại nếu anten cơng tác ở tần số cao hơn và bằng fo/t, nghĩa là ở bước sĩng ngắn hơn, thì chấn tử cộng hưởng sẽ chuyển sang chấn tử cĩ chiều dài ngắn hơn chấn tử kề nĩ. Ví dụ khi cơng tác ở tần số f1, thì chấn tử cộng hưởng là chấn tử cĩ chiều dài , tương ứng với = l1/2. Nếu tần số cơng tác giảm xuống là f2 = tf1, suy ra l2 = l1/t thì chấn tử cộng hưởng bây giờ cĩ độ dài bằng = l2/2 = l1/2t = /t. Từ đĩ ta suy ra ở các tần số: (6.4) sẽ cĩ các chấn tử cộng hưởng tương ứng với các độ dài: (6.5) n là số thứ tự của chấn tử fn là tần số cộng hưởng của chấn tử thứ n là độ dài của chấn tử cộng hưởng thứ n Nghĩa là khi anten cơng tác ở một tần số cho bởi cơng thức (6.4), trên anten sẽ xuất hiện một miền bức xạ mà chấn tử phát xạ chính cĩ độ dài xác định theo cơng thức (6.5). Như vậy miền bức xạ trên anten logarit chu kỳ sẽ dịch chuyển khi tần số cơng tác thay đổi, nhưng hướng bức xạ cực đại của anten vẫn giữ nguyên. Nếu lấy logarit biểu thức (6.4) ta nhận được: (6.6) Nghĩa là khi biểu thị tần số theo logarit thì tần số cộng hưởng của anten sẽ thay đổi một lượng bằng lnt. Vì vậy anten được gọi là anten logarit chu kỳ. Đồ thị phương hướng của anten được xác định bởi số chấn tử của miền bức xạ tác dụng (thường vào khoảng từ 3 ¸ 5) và bởi tương quan biên độ và pha của dịng điện trong các chấn tử ấy. Các đại lượng này phụ thuộc vào thơng số hình học chu kỳ t và gĩc mở anten a, chỉ ra trên hình 6.6. Khi tăng t, (cố định a), đồ thị phương hướng hẹp lại vì lúc đĩ sẽ tăng số chấn tử của miền bức xạ tác dụng. Nhưng nếu tăng t quá quá lớn thì tính hướng lại xấu đi vì lúc ấy kích thước của miền bức xạ tác dụng lại giảm do các chấn tử quá gần nhau. Khi giảm a (cố định t) đến một giới hạn nhất định đồ thị phương hướng sẽ hẹp lại vì khi ấy khoảng cách giữa các chấn tử lại tăng lên và do đĩ tăng kích thước của miền bức xạ tác dụng. Các giá trị tới hạn của a và t thường là: tmax = 0,95 amin = 10o Đồ thị quan hệ giữa gĩc nửa cơng suất trong hai mặt phẳng E và H ứng với các thơng số t và a khác nhau được chỉ ra trong hình 6.6. Từ đồ thị cĩ thể thấy rằng đồ thị phương hướng của anten trong mặt phẳng H rộng hơn trong mặt phẳng E (đĩ là do tính hướng của mỗi chấn tử hợp thành anten). 0 10 20 30 40 ao 50 60 70 80 90 100 110 120 140 130 2q1/2 t = 0,65 t = 0,95 t = 0,75 t = 0,83 t = 0,915 0 10 20 30 40 ao 40 50 60 70 2q1/2 t = 0,65 0,75 0,83 0,915 x y z q j Mặt phẳng E Mặt phẳng H H×nh 6.6. Quan hƯ gi÷a 2q1/2 víi c¸c th«ng sè t vµ a 6.4 ANTEN KHE Anten khe được sử dụng chủ yếu ở băng vi ba. Trong thực tế khe bức xạ cĩ dạng chữ nhật (khe thẳng) hoặc hình trịn (khe hình vành khăn) và được cắt trên các mặt kim loại cĩ hình dạng và kích thước khác nhau: trên thành hốc cộng hưởng, thành ống dẫn sĩng hình chữ nhật hoặc trịn, trên các tấm kim loại phẳng, cánh máy bay....kích thước của mặt kim loại cĩ thể khá lớn so với bước sĩng nhưng cũng cĩ thể chỉ vào khoảng vài bước sĩng cơng tác. 6.4.1 Anten khe nửa sĩng Ee x ze l/2 y Hình 6.7. Anten khe nửa sĩng Nếu trên thành ống dẫn sĩng hay hốc cộng hưởng cắt một khe hẹp cĩ chiều dài bằng một nửa bước sĩng cơng tác thì chúng ta sẽ cĩ một anten khe nửa sĩng, nghĩa là khe chỉ bức xạ vào một nửa khơng gian. Dưới tác dụng của sức điện động đặt vào khe, trong khe sẽ xuất hiện các đường sức điện trường hướng vuơng gĩc với hai mép khe. Điện áp giữa hai mép khe bằng tích của cường độ điện trường với độ rộng của khe (U = E.b). Ta cĩ thể coi gần đúng mỗi nửa khe giống như một đoạn đường dây song hành mà hai nhánh dây là hai mép khe được nối tắt đầu cuối (tại ). Khi ấy phân bố điện áp dọc theo khe sẽ tuân theo quy luật sin, cĩ nút điện áp ở cuối khe và bụng điện áp ở giữa khe. Vì điện áp giữa hai mép khe tỷ lệ với điện trường trong khe nên cĩ thể thấy rằng phân bố của điện trường dọc theo khe cũng tuân theo quy luật sĩng đứng. Tương tự như khi khảo sát khe nguyên tố, ta cĩ thể coi khe tương đương như một dây dẫn từ mà dịng từ chạy trong dây cĩ quan hệ với điện áp trong khe theo cơng thức: (6.7) Trong đĩ Ukhe(z) là điện áp sĩng đứng, phân bố đối xứng với tâm khe (6.8) Ở đây chiều dài khe; Ubkhe = U0khe là điện áp ở điểm bụng sĩng đứng phù hợp với điện áp điểm giữa của khe khi . Do đĩ: (6.9) Tương tự như dây dẫn cĩ dịng điện sĩng đứng, ta cũng cĩ thể coi khe như tập hợp của các chấn tử từ, mà dịng từ trên mỗi chấn tử cĩ giá trị xác định bởi (6.9) trong đĩ z cĩ tọa độ là trung điểm của chấn tử. Để xác định trường bức xạ của khe cĩ thể dựa vào trường bức xạ của chấn tử đối xứng trong cơng thức (5.8). Trường bức xạ của anten khe cĩ hai thành phần Ej và Hq với chiều dài khe (6.10) Khi khe cĩ chiều dài, thay vào cơng thức trên, ta được: (6.11) Đồ thị phương hướng của khe nửa sĩng trong mặt phẳng đi qua trục của khe (mặt phẳng xOz- mặt phẳng H) và trong mặt phẳng vuơng gĩc với trục của khe (mặt phẳng xOy- mặt phẳng E) chỉ ra trong hình 6.8: z x q a) y j x b) Hình 6.8. Đồ thị phương hướng của khe nửa sĩng a) trong mặt phẳng H b) trong mặt phẳng E Vì khe bức xạ vào một nửa khơng gian nên đồ thị phương hướng cũng chỉ cĩ ý nghĩa trong một nửa mặt phảng khảo sát. 6.4.2 Anten khe - ống dẫn sĩng Trên thành ống dẫn sĩng chữ nhật hay hình trịn, nếu cắt một hay nhiều khe cĩ độ dài bằng nửa bước sĩng (gọi là khe nửa sĩng), thì ta sẽ được anten khe - ống dẫn sĩng. Thơng thường khi dùng ống dẫn sĩng chữ nhật thì kiểu sĩng kích thích là sĩng H10 cịn với ống dẫn sĩng trịn kiểu sĩng kích thích là sĩng H11. Khi cĩ sĩng điện từ truyền lan trong ống, ở mặt trong của thành ống sẽ cĩ dịng điện mặt. Véc tơ mật độ dịng điện mặt được xác định bởi biểu thức: (6.12) Trong đĩ là vectơ pháp tuyến mặt trong của thành ống, H là vectơ cường độ từ trường trên bề mặt thành ống. Khi truyền sĩng H10 trong ống dẫn sĩng chữ nhật, vectơ từ trường cĩ hai thành phần (6.13) Trong đĩ H0 là biên độ cực đại của cường độ từ trường tại tâm ống dẫn sĩng (x = 0); A là hằng số; hệ số pha của sĩng trong ống dẫn sĩng; a là chiều rộng của ống dẫn sĩng. Theo cơng thức 6.12 và 6.13 thì ở mặt trong sẽ cĩ ba thành phần dịng điện mặt: từ trường dọc Hz gây ra thành phần ngang Jx, Jy cịn từ trường ngang Hx gây ra thành phần dọc Jz. Phân bố của các thành phần dịng điện ngang Jx, Jy và dịng điện dọc Jz được chỉ trong hình 6.9: x y z Jz(Hx) (b) x y z Jx(Hz) (a) Hình 6.9. Phân hố dịng điện mặt trên các thành ống dẫn sĩng Nếu khe nằm trên thành ống dẫn sĩng cắt ngang các đường sức mật độ dịng điện, thì dịng điện dẫn trên thành ống sẽ bị gián đoạn tại các khe hở và chuyển thành dịng điện dịch, chảy vuơng gĩc với hai mép khe, như chỉ trên hình 6.10. Trong khe sẽ hình thành điện trường tương ứng với dịng điện dịch và giữa hai mép khe sẽ phát sinh điện áp. Nếu chiều của khe vuơng gĩc với đường sức mật độ dịng điện mặt thì thành phần dịng điện dịch chảy ngang mép khe là cực đại, khe được kích thích mạnh nhất. Nếu đặt khe dọc theo đường sức mật độ dịng điện mặt thì khơng cĩ dịng điện dịch chảy ngang mép khe, nghĩa là khe khơng được kích thích và nĩ sẽ khơng bức xạ năng lượng. l/4 l/2 Jx Jy Hình 6.10. Vị trí các khe trên thành ống dẫn sĩng Các khe trên thành ống dẫn sĩng cĩ thể được bố trí theo nhiều cách khác nhau, như chỉ trong hình 6.11: Khe dọc trên ống dẫn sĩng (1) được kích thích bởi các thành phần ngang của mật độ dịng điện mặt Jx, Jy và cĩ thể cắt trên thành rộng hay thành hẹp của ống. Tuy nhiên cần chú ý rằng dọc theo đường trung bình của thành rộng, mật độ dịng điện ngang bằng 0 (Jx = 0), vì vậy, nếu các khe nằm dọc theo đường trung bình của thành rộng thì chúng sẽ khơng được kích thích và khơng bức xạ. l/2 l/2 1 2 3 4 1 2 3 x1 x0 Hình 6.11.Các kiểu anten khe trên ống dẫn sĩng Hình 6.12.Thăm kích thích Khe ngang trên ống dẫn sĩng (2) được kích thích bởi các thành phần dọc của mật độ dịng điện mặt Jz. Khe ngang chỉ cĩ thể cắt trên các bản rộng của ống vì trên thành hẹp Hx và Jx đều bằng 0. Khe nghiêng (3) cĩ thể cắt trên thành rộng cũng như thành hẹp của ống và được kích thích bởi cả hai dịng điện dọc và ngang. Cường độ kích thích cho các khe được xác định bởi hình chiếu của các vectơ mật độ dịng điện mặt lên đường vuơng gĩc với trục của khe. Khe chữ thập (4) là sự kết hợp giữa khe ngang và khe dọc, theo cơng thức 6.13 dịng điện dọc và ngang trên thành ống dẫn sĩng tại cùng một thiết diện cĩ gĩc lệch pha nhau 900. Vì vậy, các khe dọc và khe ngang được kích thích sẽ được kích thích lệch pha 900. Nếu tâm của khe chữ thập được đặt cách đường trung bình của thành rộng một khoảng x = x0 sao cho biên độ của các thành phần từ trường Hx và Hz tại đĩ bằng nhau thì cường độ kích thích cho hai khe sẽ bằng nhau. Lúc đĩ khe chữ thập sẽ bức xạ sĩng phân cực trịn theo hướng vuơng gĩc với thành rộng của ống dẫn sĩng. Để kích thích cho các khe cĩ thể dùng các thăm kích thích đặt cạnh khe, vuơng gĩc với mặt phẳng của khe, như chỉ trên hình 6.12. Dịng điện chảy trên các thăm kích thích được tạo nên bởi dịng điện mặt chảy trên thành ống ở điểm đặt thăm. Hình 6.13 Theo nguyên lý tương hỗ, anten khe- ống dẫn sĩng cĩ thể dùng làm anten phát cũng như anten thu. Cường độ trường bức xạ hoặc thu của khe phụ thuộc vào vị trí của khe trên thành ống dẫn sĩng. Khảo sát tính hướng của trên thành ống dẫn sĩng cĩ thể dựa vào chấn tử điện cĩ cùng kích thước. Đồ thị phương hướng của khe nửa sĩng trong mặt phẳng E, khi cĩ xét đến kích thước hữu hạn của thành ống dẫn sĩng chỉ ra trong hình 6.13. 6.5 NGUYÊN LÝ BỨC XẠ MẶT 6.5.1 Bức xạ của bề mặt được kích thích bởi trường điện từ Ở dải sĩng cực ngắn, để nhận được anten cĩ tính hướng hẹp thường sử dụng loại anten theo nguyên lý bức xạ mặt. Đĩ là các bề mặt được kích thích bởi trường điện từ bức xạ từ một nguồn sơ cấp nào đĩ. Trường kích thích sẽ tạo ra trên bề mặt ấy các thành phần điện trường E và từ trường H vuơng gĩc với nhau, lúc đĩ bề mặt này sẽ trở thành nguồn bức xạ thứ cấp và được gọi là mặt bức xạ của anten. Trường hợp mặt bức xạ là phẳng, thì mặt phẳng đĩ được gọi là mặt mở của anten (cũng cịn được gọi là khẩu độ của anten). Giả sử miệng anten cĩ diện tích S, trên đĩ cĩ các thành phần trường E và H cĩ biên độ và pha phân bố theo một quy luật xác định. Ta chọn hệ tọa độ khảo sát như chỉ ra trên hình 6.14, trục z vuơng gĩc với mặt phẳng bức xạ và trùng với phương của véc tơ pháp tuyến ngồi của mặt, cịn các véctơ trường E và H song song với các trục tọa độ x, y nằm trong mặt phẳng ấy. M(R,q,j) Ta khảo sát bài tốn tổng quát khi trường được kích thích trên miệng anten là hàm số theo tọa độ của mặt: q y x ze S Hình 6.14 l/2 l/2 (6.14) Trong đĩ: - Hx là biên độ phức của vectơ cường độ từ trường trên bề mặt bức xạ. - H0 là biên độ phức của vectơ cường độ từ trường tại gốc tọa độ. - f(x,y) là hàm phân bố phức của trường, trong đĩ fm(x,y) là hàm phân bố biên độ cịn y(x,y) là hàm phân bố pha. Tỷ số thành phần tiếp tuyến của điện trường và từ trường tại mỗi điểm trên bề mặt được gọi là trở kháng bề mặt tại điểm ấy, ký hiệu là Zs(x,y) (6.15) Để phân tích bức xạ bề mặt ta áp dụng nguyên lý dịng mặt tương đương. Trong trường hợp này, tại mỗi điểm trên bề mặt sẽ cĩ: Mật độ dịng điện mặt (6.16) Mật độ dịng từ mặt (6.17) Ta khảo sát trường hợp mặt bức xạ là lý tưởng: mặt bức xạ là mặt phẳng và các thành phần tiếp tuyến của trường ở trên đĩ cĩ biên độ và pha đồng đều ở mọi điểm (hình 6.15), nghĩa là: Sĩng phẳng kích thích q y x ze S Hình 6.15 (6.18) Giả sử mặt bức xạ được kích thích bởi trường của một sĩng phẳng truyền theo hướng vuơng gĩc với bề mặt, với trở kháng sĩng Zs’, theo định nghĩa (6.19) Trong trường hợp này, các vectơ E, H của trường trên mặt bức xạ sẽ cĩ biên độ và pha đồng đều (vì mặt bức xạ trùng với mặt sĩng). Chọn hệ tọa độ sao cho trục z trùng với phương truyền tới của sĩng kích thích, cịn vectơ điện trường phù hợp với trục y (). Dựa vào quan hệ của E, H và vectơ Poyntinh ta sẽ thấy vectơ H sẽ hướng theo chiều âm của trục x, nghĩa là: . Căn cứ vào các nhận xét trên, các biểu thức (6.14) và (6.15) cĩ thể viết lại dưới dạng (6.20) a, Mặt bức xạ hình chữ nhật, hình 6.16a Các thành phần trường bức xạ được xác định bởi (6.21) Q(x,y) a M(R,q,j) q y x ze O a) b b) Q(r,f) M(R,q,j) q y x ze O f a Hình 6.16. Mặt bức xạ chữ nhật và hình trịn Khảo sát trường bức xạ trong các mặt phẳng chính: mặt phẳng E và mặt phẳng H - Trường hợp điểm khảo sát nằm trong mặt phẳng E (mặt phẳng yOz) lúc đĩ j = 900, ta cĩ: (6.22) - Trường hợp điểm khảo sát nằm trong mặt phẳng H (mặt phẳng xOz) lúc đĩ j = 00, ta cĩ: (6.23) Phân tích các cơng thức (6.22) và (6.23) ta thấy sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ theo các hướng trong mặt phẳng khảo sát được xác định bởi hàm số gồm tích của hai thành phần: Thành phần thứ nhất cĩ dạng phù hợp với hàm tính hướng của nguyên tố bức xạ hỗn hợp, cịn thành phần thứ hai cĩ dạng sinA/A (ở đây đối với mặt phẳng điện trường và đối với mặt phẳng từ trường). Nếu coi mặt bức xạ là tập hợp của các nguyên tố hỗn hợp thì thành phần thứ nhất chính là hàm tính hướng riêng của phần tử bức xạ cịn thành phần thứ hai sẽ tương ứng với hàm tính hướng tổ hợp. Hàm tính hướng biên độ chuẩn hĩa của mặt bức xạ trong hai mặt phẳng được xác định từ các cơng thức cĩ dạng: (6.24) Đồ thị phương hướng của anten bức xạ mặt được vẽ minh họa ở hình sau a) -60 -30 30 qo 0,25 0,50 0,75 1,0 0 60 90 -90 q =00 b) Hình 6.17.Đồ thị phương hướng a) hệ tọa độ vuơng gĩc; b) hệ tọa độ cực Hướng mà biên độ cĩ giá trị bằng khơng cịn được gọi là hướng bức xạ khơng, cĩ thể được xác định từ điều kiện: đối với mặt phẳng E Và đối với mặt phẳng H Trong đĩ q0E và q0H là ký hiệu của các gĩc ở hướng bức xạ bằng khơng trong các mặt phẳng E và H. Từ đĩ rút ra được với n = 1, 2, 3… Hướng bức xạ khơng thứ nhất được xác định khi cho n = 1, nghĩa là : (6.25) Khi mặt bức xạ cĩ kích thước lớn (), ta cĩ độ rộng búp sĩng ở hướng bức xạ khơng bằng Trong mặt phẳng E (6.26) Trong mặt phẳng H (6.27) Từ các cơng thức trên ta thấy rằng độ rộng búp sĩng của anten trong mỗi mặt phẳng chỉ phụ thuộc vào kích thước của anten theo mặt phẳng ấy, khơng phụ thuộc vào kích thước anten trong mặt phẳng vuơng gĩc với nĩ. Độ rộng búp sĩng theo mức bức xạ nửa cơng suất (gĩc nửa cơng suất), được xác định bởi cơng thức (6.28) b, Mặt bức xạ hình trịn, hình 6.16 b Trường hợp điểm khảo sát nằm trong mặt phẳng E (mặt phẳng yOz) lúc đĩ j = 900, ta cĩ: (6.29) Trường hợp điểm khảo sát nằm trong mặt phẳng H (mặt phẳng xOz) lúc đĩ j = 00, ta cĩ: (6.30) Trong đĩ S = pa2 là diện tích của mặt bức xạ trịn. J1là hàm Bessel bậc 1 Hàm tính hướng biên độ chuẩn hĩa của mặt bức xạ trong hai mặt phẳng cĩ dạng: (6.31) Trong trường hợp mặt bức xạ trịn, hàm tính hướng tổ hợp cĩ dạng J(u)/u. Đồ thị của hàm số này được vẽ ở hình 6.18. Để tiện so sánh, trên hình vẽ cũng vẽ đồ thị của hàm sinu/u. Từ hình p 0,2 0,4 0,6 1,0 0 3p 2p 0,8 J(u)/u Sinu/u Hình 6. 18 vẽ ta thấy dạng đồ thị của hai hàm này rất giống nhau. Do đĩ, trong mặt phẳng E và H dạng đồ thị phương hướng của mặt bức xạ hình trịn cũng giống dạng đồ thị phương hướng của mặt bức xạ chữ nhật. Độ rộng búp sĩng ở hướng bức xạ khơng được xác định theo cơng thức: (6.32) Độ rộng búp sĩng ở gĩc nửa cơng suất được xác định theo cơng thức: (6.33) 6.5.2 Các kiểu anten bức xạ mặt Các anten bức xạ mặt thường được sử dụng ở dải sĩng cực ngắn. Một số anten điển hình là anten loa, anten thấu kính, anten gương parabol, anten gương kép… Phần sau chúng ta sẽ xem xét kỹ về các loại anten này. 6.6 ANTEN LOA 6.6.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc Anten loa được cấu tạo từ anten ống dẫn sĩng, là kiểu anten bức xạ mặt đơn giản nhất. Lý thuyết về ống dẫn sĩng biết rằng khi sĩng truyền tới miệng ống dẫn sĩng hở thì một phần năng lượng của sĩng sẽ phản xạ trở lại và một phần năng lượng sẽ bức xạ ra khơng gian bên ngồi. Trường ở miệng ống là trường tổng hợp của sĩng tới và sĩng 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 sĩng 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 sĩng 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 sĩng 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 sĩng là hình trịn ta cĩ loa hình nĩn. a1 b a d) b1 b a e) Hình 6.19. Các anten loa: a) Nĩn vách nhẵn. b) Nĩn 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 6.20 ) z Miệng loa 2f0 L b1 R Cổ loa O o Hình 6.20 Năng lượng cao tần được truyền theo ống dẫn sĩng đến cổ loa dưới dạng sĩng phẳng. ở đây một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại cịn đại bộ phận tiếp tục truyền theo thân loa dưới dạng sĩng phân kỳ tới miệng loa. Tại miệng loa phần lớn năng lượng được bức xạ ra ngồi, một phần phản xạ trở lại. Sự phản xạ sĩng ở cổ loa càng lớn khi gĩc mở của loa càng lớn cịn sự phản xạ sĩng tại miệng loa càng nhỏ khi kích thước miệng loa càng lớn. Sĩng truyền đi trong loa cĩ thể coi là sĩng cầu cĩ tâm pha tại O, do đĩ tại mặt phẳng miệng loa khơng phải là mặt đồng pha. Nếu loa cĩ chiều dài R cố định, muốn diện tích miệng loa lớn để tạo được bức xạ mạnh thì gĩc mở của loa phải lớn. Nhưng điều này làm cho sĩng 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 tốn anten loa cĩ thể chọn gĩc mở và độ dài R của loa thích hợp, để anten loa cĩ tính hướng tốt nhất. a, Xét trường hợp loa E Chiều dài từ tâm pha O đến mép loa L được xác định theo cơng thức: Hiệu đường đi của tia sĩng 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 gĩc là k DL. Trong mặt phẳng E để cĩ tính hướng tốt thì gĩc lệch pha cho phép trong mặt phẳng E là k DL £ p/2. Ta cĩ: (6.34) 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, cĩ 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 gĩc lệch pha của phần tử bức xạ ở tâm loa so với các phần tử bức xạ ở mép loa lĩn hơn trường hợp cho trong mặt phẳng E, nghĩa là k.DL £ 0,75p từ đĩ ta cĩ: (6.35) c, Xét trường hợp loa hình nĩn (6.36) Với R0 là bán kính của miệng loa Loa cĩ 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 cĩ q =00 Hình 6.21. Đồ thị phương hướng của anten loa Loa E: Loa H: Loa nĩn : 6.6.2 Tính hướng của anten loa Đối với anten loa E , độ rộng búp sĩng được xác định (6.37) Đối với anten loa H , độ rộng búp sĩng được xác định (6.38) Để độ rộng búp sĩng 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 (6.39) Ở đây S là diện tích của miệng loa, u là hệ số sử dụng bề mặt miệng loa. Hệ số sử dụng bề mặt của miệng loa luơn 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 sĩng cơng tác 5 cm, thì miệng loa phải cĩ 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 cĩ mặt bức xạ thứ cấp như anten parabol, anten cassegrain....Nĩ cũng được sử dụng làm các anten độc lập trong các hệ thống thơng tin vệ tinh. Khi đĩ kích thước của loa rất lớn. 6.7 ANTEN GƯƠNG 6.7.1 Nguyên lý chung Nguyên lý làm việc của anten gương tương tự như nguyên lý làm việc của gương quang học. Để thuận tiện chúng ta sẽ khảo sát hoạt động của anten gương ở chế độ phát sĩng. Sĩng sơ cấp với dạng mặt sĩng và hướng truyền lan nhất định, sau khi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành sĩng thứ cấp với dạng mặt sĩng 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). Trong phần lớn các trường hợp, gương cĩ nhiệm vụ biến đổi sĩng cầu hoặc sĩng trụ bức xạ từ nguồn sơ cấp với tính hướng kém thành sĩng phẳng (hoặc gần phẳng) với năng lượng tập trung trong một khơng gian hẹp cĩ tính hướng mong muốn. Nguồn bức xạ sơ cấp được gọi là bộ chiếu xạ. Gương phản xạ thứ cấp được dùng phổ biến nhất là gương parabol, một số sử dụng gương hyperbol. 6.7.2 Anten gương parabol Anten gương parabol được sử dụng phổ biến trong thơng tin vi ba và thơng tin vệ tinh. Cấu tạo của anten bao gồm hai bộ phận chủ yếu: một mặt phản xạ (gương) trịn xoay cĩ 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 sĩng cầu (với gương parabol trịn xoay) hay một nguồn bức xạ thẳng dọc theo trục tiêu (gương parabol trụ), hình 6.22. Hình 6.22. Anten gương parabol Hình 6.23. Mặt cắt dọc của anten gương parabol Để hiểu được tính chất hình học của mặt phản xạ parabol trịn xoay ta xét parabol là đường cong được tạo ra từ mặt phản xạ trong một mặt phẳng bất kỳ vuơng gĩc với mặt phẳng chứa mặt mở và đi qua tiêu điểm (hình 6.23a). Tiêu điểm được ký hiệu là F và đỉnh là O, trục là đường thẳng đi qua F và O, FO là tiêu cự được ký hiệu là f. Xét quãng đường đi của hai tia sĩng 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 cĩ FO + OO’= FA + AB = k (với k là hằng số).Quãng đường đi dài như nhau cĩ nghĩa rằng sĩng phát từ tiêu điểm cĩ phân bố pha đồng đều trên mặt mở. Thuộc tính này cùng với thuộc tính các tia song song cĩ nghĩa là mặt sĩng là mặt phẳng. Như vậy phát xạ từ mặt phản xạ parabol trịn xoay giống như phát xạ một sĩng phẳng từ một mặt phẳng vuơng gĩc với trục và chứa đường chuẩn (đường vuơng gĩc 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 cịn 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. 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: (6.40) Vị trí của tiêu điểm so với mặt phản xạ đối với các giá trị f/d khác nhau được cho ở hình 6.24. Đối với f/d0,25, anten sơ cấp nằm ngồi miệng gương vì thế chiếu xạ trở nên đồng đều hơn, nhưng một phần bị tràn ra ngồi 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 ngồi gĩc 2Y0. Hình 6.24. Vị trí tiêu điểm đối với các giá trị f/d khác nhau Đồ thị phương hướng của anten parabol Năng lượng của sĩng điện từ được phản xạ từ gương và tập trung xung quanh quang trục của gương, được gọi là búp sĩng chính. Tuy nhiên, do cĩ 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 sĩng sơ cấp một phần sĩng truyền ra ngồi mặt gương; mặt phản xạ khơng phẳng tuyệt đối nên khi phản xạ một phần năng lượng bị tán xạ. Do đĩ đồ thị phương hướng của anten gương parabol ngồi búp sĩng chính cịn cĩ các búp sĩng phụ. Độ rộng búp sĩng chính q3dB hay gĩc nửa cơng suất của đồ thị phương hướng được xác định theo cơng thức: (độ) (6.41) Hay (6.42) Trong đĩ: f là tần số cơng tác (GHz), d là đường kính miệng gương (m), l bước sĩng cơng tác (m). 0 dB 3 dB Búp chính Các búp phụ Búp ngược G 1800 - 1800 0 2q 1/2 Hình 6.25. Đồ thị phương hướng của anten parabol trong tọa độ vuơng gĩc Hiệu suất làm việc của anten parabol Ở anten parabol khơng phải tất cả năng lượng sĩng bức xạ từ nguồn sơ cấp (bộ chiếu xạ) đều được phản xạ từ gương parabol. Một phần năng lượng sĩng được hấp thụ từ gương và một phần khác bị tán xạ ra xung quang mép gương do mặt gương khơng phẳng tuyệt đối. Thêm vào đĩ, 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 % cơng suất bức xạ từ bộ chiếu xạ. Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đạicủa anten gương parabol trịn xoay: (6.42) (6.43) trong đĩ: d đường kính miệng gương (m) l bước sĩng cơng tác (m) hiệu suất làm việc của anten S là diện tích thực của miệng anten (S = pd2/4) Nếu biểu thị theo đơn vị decibel ta cĩ: (6.44) Chú ý: Hệ số hướng tính D và hệ số khuếch đại G trong các cơng thức trên được tính ở hướng bức xạ cực đại. Ví dụ Một anten parabol cĩ đường kính miệng parabol là 2m, cơng suất bức xạ là 5 W, tần số cơng tác là 6 GHz, hiệu suất làm việc 55% . Hãy xác định: a, Độ rộng búp sĩng chính b, Hệ số khuếch đại c, Cơng suất bức xạ đẳng hướng tương đương. Giải a, Áp dụng cơng thức (6.41) ta cĩ độ rộng búp sĩng nửa cơng suất là b, Hệ số khuếch đại được tính theo cơng thức (6.44) c, Cơng suất bức xạ đẳng hướng tương đương (dBm) 6.7.3 Anten hai gương: anten Cassegrain Anten Cassegrain gồm một gương phản xạ parabol trịn xoay cịn gọi là gương chính, một gương phản xạ hyperbol cịn 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 cĩ hai tiêu điểm: một trùng với tiêu điểm của gương chính và một trùng với tâm pha của bộ chiếu xạ (hình: Mặt cắt dọc theo quang trục của anten Cassegrain ). Anten biến đổi sĩng cầu từ bộ chiếu xạ thành sĩng phẳng đồng pha ở miệng gương chính sau hai lần phản xạ liên tiếp tại gương phụ và gương chính. Ưu điểm của anten Cassegrain là độ rộng búp sĩng 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 nĩi chung cĩ kích cỡ nhỏ hơn loa tiếp sĩng và gây ra che tối ít hơn. Như vậy, anten Cassegrain cũng cĩ nhược điểm là gương phụ chắn mất một phần khơng gian ở trước gương chính gây ra miền tối, làm cho phân bố biên độ của trường khơng đồng đều, giảm tính định hướng của anten. Hệ thống Cassegrain được sử dụng rộng rãi cho các trạm mặt đất. Hình 6.26. Mặt cắt dọc theo quang trục của anten Cassegrain và các tia truyền đối với anten. Hình 6.27. Anten Cassegrain 6.7.4. Anten Gregorian Một dạng khác của anten hai gương là anten Gregorian. Anten gồm một gương phản xạ parabol trịn xoay chính và một gương phản xạ phụ elip trịn xoay. Cũng như ở trường hợp trên, gương phản xạ phụ cĩ hai tiêu điểm, một trùng với tiêu điểm của gương phản xạ chính và điểm kia trùng với tâm pha của loa tiếp sĩng. Hoạt động của hệ thống Gregorian cĩ nhiều điểm giống như Cassegrain. Anten Gregorian đươc minh hoạ ở hình 6.28. Hình 6.28. Anten Cassegrain lệch trục 6.8 TỔNG KẾT Anten là thiết bị khơng thể thiếu trong các hệ thống thơng tin vơ tuyến. Tùy vào tính chất của mỗi hệ thống thơng tin vơ tuyến người ta sử dụng các loại anten thích hợp. Cĩ rất nhiều loại anten khác nhau hiện đang được sử dụng. Trong chương đã đề cập đến một số loại anten được dùng phổ biến nhất. Các anten nhiều chấn tử được ứng dụng rộng rãi trong vơ tuyến truyền hình. Các anten này thường đơn giản về cấu trúc, chịu được áp lực giĩ khi đặt trên cao và hoạt động của chúng cĩ nhiều ưu điểm về thơng số điện. Các anten bức xạ mặt được sử dụng ở các tần số cao hơn. Ưu điểm của chúng là đạt được tính hướng rất cao. Anten loa là một dạng anten được sử dụng phổ biến trong thơng tin vệ tinh. Loa cĩ thể sử dụng như một anten độc lập hay thường xuyên hơn nĩ được sử dụng làm các bộ tiếp sĩng cho các anten gương. Các anten gương parabol được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thơng tin chuyển tiếp mặt đất cũng như hệ thống thơng tin vệ tinh. Tiếp sĩng cho các anten này cĩ 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 địi hỏi phải cĩ 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 trong thơng tin vệ tinh, cho phép đặt tiếp sĩng ngay tại tâm của chảo phản xạ chính vì thế bảo dưỡng và quay anten tiện hơn. Anten Cassegrain bao gồm hai bộ phản xạ: bộ phản xạ phụ cĩ hình hyperbol trịn xoay và bộ phản xạ chính là parabol trịn xoay. Anten Gregorian cũng cĩ bộ phản xạ chính là parabol trịn xoay nhưng bộ phản xạ phụ là elip trịn xoay. 6.9 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của anten yagi. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của anten loga - chu kỳ. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của anten loa. Điều kiện để loa tối ưu. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của anten gương parabol. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của anten gương kép Cassegrain. Một anten parabol đường kính 5m cĩ hiệu suất làm việc 0,65 làm việc tại tần số 6GHz. Tìm diện tích mặt mở hiệu dụng của anten (a) 12,76 m2; (b) 13,76m2; (c) 14,76m2; (d) 15,75m2 Số liệu như bài 6, tìm hệ số khuếch đại của anten. a ) 45,1dBi; (b) 46,1dBi; (c) 47,1dBi; (d) 48,1dBi Số liệu như bài 6, xác định độ rơng búp sĩng chính. a ) 0,50; (b) 0,7 0; (c) 1,50; (d) 1,7 0 Một anten parabol đường kính 3m cĩ hiệu suất làm việc 0,55 làm việc tại tần số 2GHz. Tìm diện tích mặt mở hiệu dụng của anten. a ) 2,9 m2; (b) 3,5 m2; (c) 3,9 m2; (d) 4,5 m2 Số liệu như bài 9, tìm hệ số khuếch đạicủa anten. a ) 33,4dBi; (b) 35,4dBi; (c) 37,4dBi; (d) 39,4dBi Số liệu như bài 9, xác định độ rơng búp sĩng chính. a ) 2,50; (b) 3,0 0; (c) 3,50; (d) 3,7 0 Một anten gương parabol cĩ hệ số khuếch đại là 50 dBi, hiệu suất làm việc 60%. Tính gĩc nửa cơng suất. a ) 0,440; (b) 0,540; (c) 0,640; (d) 0,740 Một anten cĩ gĩc nửa cơng suất bằng 20. Xác định hệ số khuếch đại khi biết hiệu suất làm việc của anten là 55%. a ) 30,2dBi; (b) 35,2dBi; (c) 38,2dBi; (d) 40,2dBi Một anten phát cĩ hệ số khuếch đạilà 40 dBi, anten cĩ cơng suất phát là bao nhiêu để anten thu gương parabol cĩ đường kính miệng gương 0,9 m; hiệu suất làm việc 0,55 đặt cách anten phát 50 km nhận được cơng suất – 70 dBW. Giả thiết sĩng truyền trong khơng gian tự do. a ) 0,5 mW; (b) 0,5 W; (c) 0,9 mW; (d) 0,9W Anten gương parabol cĩ hệ số khuếch đạilà 40 dBi, hiệu suất làm việc 60%, làm việc tại tần số 4GHz.Tính đường kính miệng gương. a ) 3,08 m; (b) 3,28 m; (c) 3,58 m; (d) 3,78 m Số kiệu như bài 15, tính độ rộng búp sĩng q3dB. a ) 1,50; (b) 1,70; (c) 2,50; (d) 2,70 Một anten phát cĩ hệ số khuếch đạilà 30 dBi, cơng suất phát của anten là 5W. Ở cự ly 50 km đặt một anten thu gương parabol cĩ đường kính miệng gương 1,5m. Tính cơng suất anten thu nhận được. a ) 1,13 pW; (b) 1,13mW; (c) 1,13 mW ; (d) 1,13 W Số liệu như bài 17, tính tổn hao truyền sĩng trong khơng gian tự do khi truyền từ anten phát đến anten thu. a ) 60,45dB; (b) 63,45dB; (c) 65,45dB; (d) 66,45dB Một anten gương parabol cĩ hệ số khuếch đại là 30 dBi, hiệu suất làm việc 60%. Tính gĩc nửa cơng suất. a ) 4,380; (b) 5,380; (c) 6,380; (d) 7,380 Một anten cĩ gĩc nửa cơng suất bằng 1,20. Xác định hệ số khuếch đại khi biết hiệu suất làm việc của anten là 55%. a ) 35,7dBi; (b) 40,7dBi; (c) 42,7dBi; (d) 45,7dBi