111 ANTEN DÙNG TRONG THÔNG 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 thông 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 thông tin vi ba - Nắm được cấu tạo, nguyên lý làm việc và một số tham số của các loại anten sử dụng trong thông tin viba. 6.2 ĐẶC ĐIỂM VÀ YÊU CẦU CỦA ANTEN DÙNG TRONG THÔNG TIN VI BA 6.2.1 Các hệ thống thông tin vi ba và băng tần sử dụng Vi ba là đoạn sóng vô tuyến điện được sử dụng nhiều trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay như thông tin di động sử dụng băng tần 800 – 950 MHz hoặc băng tần 2 GHz. Thông tin vệ tinh sử dụng trong một phạm vi rộngcủa sóng vi ba khoảng từ 1,5 – 44 GHz và được chia ra nhiều băng khác nhau cho các dịch vụ khác nhau. Hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp trên mặt đất (còn được gọi là hệ thống thông tin vi ba) làm việc ở dải tần khoảng tử 1 – 10 GHz. Băng tần của sóng vi ba được sử dụng cho nhiều hệ thống thông tin với nhiều dịch vụ viễn thông khác nhau, nên việc lựa chọn và ấn định băng tần thích hợp cho mỗi loại thông tin là rất cần 112 thiết, sao cho việc sử dụng băng tần có được hiệu quả nhất, tránh được can nhiễu giữa các hệ thống thông tin hoặc trong cùng một hệ thống với nhau. 6.2.2 Đặc điểm truyền lan sóng Như đã đề cập trong phần truyền sóng, các sóng vi ba có bước sóng rất nhỏ nên nếu truyền lan bằng phương pháp truyền lan sóng bề mặt sẽ bị mặt đất hấp thụ rất lớn, cự ly thông tin sẽ rất gần. Hơn nữa, vì bước sóng nhỏ nên khả năng nhiễu xạ qua các chướng ngại vật gặp trên đường truyền lan kém, chỉ cần một vật chắn nhỏ sóng sẽ không truy ền qua được. Cũng không thể sử dụng phương pháp truyền lan sóng bằng tầng điện ly để truyền sóng vi ba bởi vì đối với sóng này thì tầng điện ly trở nên trong suốt khi nó truyền qua, nghĩa là sóng sẽ xuyên qua tầng điện ly mà ít chịu ảnh hưởng của môi trường. Do đó phương pháp truyền sóng chủ yếu dùng cho băng sóng vi ba là truyền lan sóng không gian, nghĩa là hai anten thu, phát phải đặt cao trên mặt đất và hướng bức xạ c ực đại vào nhau. Khi truyền lan sóng trong điều kiện đó sẽ xảy ra hiện tượng pha đinh sâu do sự giao thoa giữa sóng tới trực tiếp và sóng phản xạ từ nhiều môi trường khác nhau tới . Do những đặc điểm nêu trên, anten dùng trong thông tin vi ba có các yêu cầu nhất định 6.2.3 Các yêu cầu đối với anten dùng trong thông tin vi ba Tùy theo tính chất của mỗi hệ thống thông tin vô tuyến vi ba mà người ta sử dụng các loại anten thích hợp, với các yêu cầu khác nhau. Với các hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp trên mặt đất và thông tin vệ tinh thì anten phải có các yêu cầu: - Hệ số khuếch đại phải lớn Khi tần số công tác tăng thì tổn hao trong không gian tự do tăng, tổn hao trên fiđơ tăng. Bởi vậy, khi tần số công tác tăng để bù vào tổn hao tă ng đó thì hệ số khuếch đại của anten yêu cầu phải tăng để giảm nhỏ công 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 công tác 2 GHz yêu cầu hệ số khuếch đại của anten là 30 – 35 dBi; khi tần số công tác là 4 GHz thì yêu cầu hệ số khuếch đại của anten là 39 – 43 dBi; khi tần số công tác là 6 GHz thì yêu cầu hệ số khuếch đại của anten là 43 – 46 dBi . - Búp sóng phụ phải nhỏ Yêu cầu búp sóng phụ phải nhỏ để không gây nhiễu sang các hệ thống khác. Đồng thời búp sóng 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 thông 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 thông tin vệ tinh, hệ số bảo vệ thường được quy định cho các búp phụ ở hướng bên cạnh để không 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 có d/λ > 100, thì búp phụ bên có hệ số 113 khuếch đại G s phải thỏa mãn yêu cầu sau: 00 125 θ << thì 29 25lg s G θ < − .Khi d/λ < 100 thì 32 25lg s G θ =− Trong các hệ thống vi ba khác thì các yêu cầu trên lại không cần thiết hoặc lại có yêu cầu ngược lại, như ở hệ thống thông tin di động hoặc hệ thống phát vô tuyến truyền hình thì các anten lại yêu cầu bức xạ vô hướng hoặc có tính hướng rộng trong mặt phẳng ngang (để tăng cường diện tích phủ sóng) và có tính hướng cao trong mặt phẳng thẳng đứng (để tập trung năng lượng) . Các yêu cầu chung đối vớ i anten trong các hệ thống thông tin vô tuyến là: - Giải tần công tác rộng: anten được dung trong thông tin vô tuyến thường truyền đi các tín hiệu có phổ tần rộng nên yêu cầu anten phải có dải tần rộng để không làm méo tín hiệu. - Anten phải có phối hợp trở kháng tốt với fiđơ hay ống dẫn sóng, để có hệ số sóng chạy phải lớn hpn hoặc bằng 0,97. - Anten phải có kết cấu vững chắc ch ịu được gió bão, có các thiết bị bảo vệ chống sét, mưa . Để có 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 thông tin vô tuyến, năng lượng bức xạ cần được tập trung tối đa về một phía. Điều đó có nghĩa là anten cần có đồ thị phương hướng đảm bảo tập trung năng lượng trong búp sóng chính hẹp và giảm tối thiểu của các bức xạ nằm ngoài búp chính. Có thể thực hiện được dạng đồ thị này bằng một dàn chấn tử. Anten dàn chấ n tử hay còn 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 có chiều dài một phần tư bước sóng hoặc nửa bước sóng. 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 sóng hẹp theo phương mong muố n. Có 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, vuông góc 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 sóng ngắn và băng sóng cực ngắn. Anten bao gồm các chấn tử nửa sóng được sắp xếp thành hàng và cột trong mặt phẳng với khoảng cách giữa các chấn tử bằng nửa bước sóng công 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 có 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). - - + + - - + + λ /2 λ /2 114 Hình 6.1. Dàn chấn tử đồng pha Ở hình 6.1a, chiều dòng 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 có thể dễ dàng nhận thấy rằng độ dài của đường fidơ tiếp điện cho các chấn tử có giá trị như nhau, do đó pha của dòng điện tiếp cho các chấn tử của dàn anten cũng giống nhau. Dàn chấn tử đồng pha có đồ thị phương hướng tổng hợp giống như đồ thị phương hướng của chấn tử nửa sóng nhưng do tập hợp nhiều chấn tử nửa sóng có pha giống nhau nên đồ thị phương hướ ng có búp sóng chính hẹp hơn nhiều và hệ số hướng tính lớn hơn nhiều so với chấn tử nửa sóng 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 có thể là mặt kim loại hoặc lướ i 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)λ. Dàn chấn tử phản xạ có thể làm việc ở chế độ chủ động hoặc chế độ thụ động. Trong chế độ thụ động các chấn tử không nối với nguồn, dòng điện trong chúng có được là do cảm ứng trường bức xạ của chấn t ử chính. Việc điều chỉnh biên độ và pha dòng cảm ứng được thực hiện nhờ một đoạn dây fiđơ ngắn mạch có độ dài biến đổi được. Trong chế độ chủ động, dàn chấn tử phản xạ được nối với nguồn thông qua một bộ di pha, nhằm đảm bảo góc lệch pha cần thiết của dòng 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 sóng ngắn cũng như băng sóng cực ngắn. Hoạt động của anten này có nhiều ưu điểm về thông 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 ngu ồn) thường là chấn tử vòng dẹt nửa sóng, một chấn tử phản xạ thụ động và một số chấn tử dẫn xạ thụ động (là chấn tử không được cấp nguồn). Các chấn tử được gắn trực tiếp trên một thanh đỡ thông 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 không ả nh hưởng gì đến các tham số của anten vì điểm giữa của các chấn tử nửa sóng là nút của điện áp và các chấn tử đặt vuông góc với thanh kim loại nên không có dòng điện cảm ứng trong thanh. b) 115 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 sóng điện từ, dưới tác dụng của trường bức xạ này trong P và D xuất hiện dòng cảm ứng và sinh ra bức xạ thứ cấp. Nếu ch ọn 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 đó, 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 s ẽ 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 sóng dọc theo trục anten, hướng từ phía chấn tử ph ản xạ P về phía chấn tử dẫn xạ D. Việc tính toán chính xác kích thước của các chấn tử phản xạ và dẫn xạ là một bài toán phức tạp, thông thường nó được tính toán theo thực nghiệm dựa trên những lý thuyết và kết quả đã biết. Quan hệ về dòng điện trong chấn tử chủ động I 1 và chấn tử thụ động I 2 được biểu thị qua biểu thức: 2 1 . j I ae I = ψ (6.1) với ( ) 22 12 22 22 22 22 12 22 12 22 RX a RX XX arctg arctg RR + = + =+ − ψ π (6.2) Ở đây R 12 và X 12 là điện trở và điện kháng tương hỗ của chấn tử chủ động lên chấn tử thụ động; R 22 và X 22 là điện trở và điện kháng của bản thân chấn tử thụ động. Bằng cách thay đổi độ dài của chấn tử thụ động, có thể biến đổi độ lớn và dấu của điện kháng riêng X 22 do đó sẽ biến đổi được a và ψ. Quan hệ giữa a và ψ với X 22 khi chấn tử có độ dài gần bằng nửa bước sóng công tác và khoảng cách d = λ /4 được biểu thị trên hình 6.3. Khoảng cách d tăng thì biên độ dòng trong chấn tử thụ động giảm. Tính toán cho thấy rằng, với d khoảng từ 0,1 đến 0,25λ thì nếu điện kháng của chấn tử mang tính cảm kháng sẽ nhận Chấn tử phản xạ Chấn tử chủ động Chấn tử dẫn xạ D A P z -120 - 80 - 40 0 40 80 120 X 22 (Ω) ψ a 40 80 120 160 0,2 0,4 0,6 0,8 ψ 0 a 116 được I 2 sớm pha hơn I 1 . 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 dòng I 2 sẽ chậm pha hơn I 1 và chấn tử thụ động sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ. Trong thực tế, việc thay đổi điện kháng X 22 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 X 22 > 0, còn khi độ dài chấn tử nhỏ hơn độ dài cộng hưởng thì X 22 < 0. Vì vậy chấn tử phản xạ có độ dài lớn hơn λ/2, còn chấn tử hướng xạ có độ dài nhỏ hơn λ/2. Thông thường anten yagi chỉ có 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 có thêm một chấn tử nữa đặt tiếp phía sau thì chấ n tử phản xạ thứ hai sẽ có dòng cảm ứng rất yếu do đó ít tác dụng. Để tăng cường hiệu quả phản xạ, trong một số trường hợp có 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 khoả ng từ 0,15λ đến 0,25λ. Trong khi đó, số chấn tử dẫn xạ có 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 có thể từ 2 tới vài chục. Khoảng cách giữa ch ấn tử chủ động với chấn tử dẫn xạ đầu tiên và giữa các chấn tử dẫn xạ kề nhau được chọn trong khoảng từ 0,1λ đến 0,35λ Chấn tử chủ động thường sử dụng là chấn tử vòng dẹt vì hai lý do chính: - Chấn tử vòng dẹt có chiều dài λ/2 nên tại điểm cấp điện có nút điện áp bởi vậy có thể gắn trực tiếp chấn tử lên thanh kim loại mà không cần cách điện. - Trở kháng vào của chấn tử vòng dẹt lớn (khoảng 300 Ω) 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 vuông góc với các chấn tử); đườ ng đứt nét vẽ trong mặt phẳng E (mặt phẳng chứa các chấn tử). Hình 6.4. Đồ thị phương hướng của anten yagi 6.3.3 Anten loga – chu kỳ Để mở rộng dải tần công tác của anten ta có thể dựa vào nguyên lý tương tự của điện động học: Nếu biến đổi đồng thời bước sóng công 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 không biến 270 o 0 o 330 o 30 o 90 o 180 o 117 đổi. Dựa vào nguyên lý này có thể thiết lập các anten không phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiều khu vực có 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 đó, chỉ có 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 công tác thì miền b ức xạ sẽ dịch chuyển đến miền mới với tỷ lệ các kích thước hình học của các phần tử bức xạ so với bước sóng công tác mới. Đây chính là nguyên lý cấu tạo anten loga -chu kỳ. Anten loga -chu kỳ được cấu tạo từ nhiều chấn tử có 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 v ẽ Hình 6.5. Anten lôga-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: 11 12 12 23 23 . nn nn dl dd ll dd d ll l τ − − ==== ==== (6.3) Trong đó d là khoảng cách giữa các chấn tử còn l là chiều dài chấn tử . Đặc tính của anten lôgarit chu kỳ được xác định bởi hai thông số chủ yếu là: chu kỳ τ và góc mở α Nếu máy phát làm việc ở một tần số f o nào đó, thì chấn tử có chiều dài i l bằng λ o /2 sẽ là chấn tử cộng hưởng và trở kháng vào của chấn tử đó sẽ là thuần trở và bằng 73,1 Ω. Trong khi đó trở kháng vào của các chấn tử khác sẽ có thành phần điện kháng và giá trị của thành phần này càng lớn khi độ dài của nó 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 t ử cộng hưởng được kích thích mạnh nhất. Vì dòng điện trong các chấn tử không cộng hưởng có 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 nó. Những chấn tử này tạo thành miền bức xạ của anten. Dòng điện trong các chấn tử của mi ền 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 có độ dài nhỏ hơn độ dài cộng hưởng do đó trở kháng vào mang tính dung kháng, dòng cảm ứng trong nó chậm pha hơn so với dòng trong chấn tử cộng hưởng (hoặc α l 6 l 5 l 4 l 3 l 2 l 1 Phiđơ cấp điện d 1 d 2 d 5 118 các chấn tử có độ dài lớn hơn nó). Các chấn tử nằm ở phía sau có độ dài lớn hơn độ dài cộng hưởng nên trở kháng vào mang tính cảm kháng và dòng cảm ứng sớm pha hơn dòng trong chấn tử cộng hưởng (hay chấn tử ngắn hơn nó). Đối với dòng điện do fide cấp thì do cách tiếp điện chéo nên pha của dòng trong hai chấn tử kề nhau lệch pha 180 o cộng với góc lệch pha do truyền sóng trên đoạn fidơ mắc giữa hai chấn tử. Tập hợp tất cả yếu tố trên, sẽ nhận được dòng tổng hợp trong các chấn tử của miền bức xạ có góc 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 đi ều kiện chấn tử hướng xạ, còn 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 τf o , nghĩa là ở bước sóng dài hơn, lúc đó chấn tử cộng hưởng sẽ dịch chuyển sang chấn tử 1 i l + có độ dài lớn hơn kế đó. Ngược lại nếu anten công tác ở tần số cao hơn và bằng f o /τ, nghĩa là ở bước sóng ngắn hơn, thì chấn tử cộng hưởng sẽ chuyển sang chấn tử 1 i l − có chiều dài ngắn hơn chấn tử kề nó. Ví dụ khi công tác ở tần số f 1 , thì chấn tử cộng hưởng là chấn tử có chiều dài 1 l , tương ứng với 1 l = λ 1 /2. Nếu tần số công tác giảm xuống là f 2 = τf 1 , suy ra λ 2 = λ 1 /τ thì chấn tử cộng hưởng bây giờ có độ dài bằng 2 l = λ 2 /2 = λ 1 /2τ = 1 l /τ. Từ đó ta suy ra ở các tần số: 1 n n f f τ = (6.4) sẽ có các chấn tử cộng hưởng tương ứng với các độ dài: 1 1 n n l l τ − = (6.5) n là số thứ tự của chấn tử f n là tần số cộng hưởng của chấn tử thứ n n l là độ dài của chấn tử cộng hưởng thứ n Nghĩa là khi anten công tác ở một tần số cho bởi công thức (6.4), trên anten sẽ xuất hiện một miền bức xạ mà chấn tử phát xạ chính có độ dài xác định theo công thức (6.5). Như vậy miền bức xạ trên anten logarit chu kỳ sẽ dịch chuyển khi tần số công tác thay đổi, nhưng hướng bức xạ cực đại của anten vẫn giữ nguyên. Nếu lấy logarit biểu thức (6.4) ta nhận được: ( ) 1 ln 1 ln ln n f nf τ =− + (6.6) Nghĩa là khi biểu thị tần số theo logarit thì tần số cộng hưởng của anten sẽ thay đổi một lượng bằng lnτ. 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 dòng điện trong các chấn tử ấy. Các đại lượng này phụ thuộc vào thông số hình học chu kỳ τ và góc mở anten α, chỉ ra trên 119 hình 6.6. Khi tăng τ, (cố định α), đồ thị phương hướng hẹp lại vì lúc đó sẽ tăng số chấn tử của miền bức xạ tác dụng. Nhưng nếu tăng τ 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 α (cố định τ) đến m ột 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 đó tăng kích thước của miền bức xạ tác dụng. Các giá trị tới hạn của α và τ thường là: τ max = 0,95 α min = 10 o Đồ thị quan hệ giữa góc nửa công suất trong hai mặt phẳng E và H ứng với các thông số τ và α khác nhau được chỉ ra trong hình 6.6. Từ đồ thị có thể thấy rằng đồ thị phương hướng của anten trong mặt phẳng H rộng hơn trong mặt phẳng E (đó là do tính hướng của mỗi chấn tử hợp thành anten). H×nh 6.6. Quan hÖ gi÷a 2θ 1/2 víi c¸c th«ng sè τ vμ α 6.4 ANTEN KHE 0 10 20 30 40 α o 50 60 70 80 90 100 110 120 140 130 2 θ 1/2 τ = 0,65 τ = 0,95 τ = 0,75 τ = 0,83 τ = 0,915 0 10 20 30 40 α o 40 50 60 70 2 θ 1/2 τ = 0,65 0,75 0,83 0,915 x y z θ ϕ Mặt phẳng E Mặt phẳng H 120 Anten khe được sử dụng chủ yếu ở băng vi ba. Trong thực tế khe bức xạ có dạng chữ nhật (khe thẳng) hoặc hình tròn (khe hình vành khăn) và được cắt trên các mặt kim loại có hình dạng và kích thước khác nhau: trên thành hốc cộng hưởng, thành ống dẫn sóng hình chữ nhật hoặc tròn, trên các tấm kim loại phẳng, cánh máy bay kích thước của mặt kim loại có thể khá lớn so với bước sóng nhưng cũng có thể chỉ vào khoảng vài bước sóng công tác. 6.4.1 Anten khe nửa sóng Nếu trên thành ống dẫn sóng hay hốc cộng hưởng cắt một khe hẹp có chiều dài bằng một nửa bước sóng công tác thì chúng ta sẽ có một anten khe nửa sóng, nghĩa là khe chỉ bức xạ vào một nửa không gian. Dưới tác dụng của sức điện động đặt vào khe, trong khe sẽ xuất hiện các đường sức điện trường hướng vuông góc với hai mép khe. Điện áp giữa hai mép khe bằng tích c ủa cường độ điện trường với độ rộng của khe (U = E.b). Ta có 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 2 l z =± ). Khi ấy phân bố điện áp dọc theo khe sẽ tuân theo quy luật sin, có 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 có thể thấy rằng phân bố của điện trường dọc theo khe cũng tuân theo quy luật sóng đứng. Tương tự như khi khảo sát khe nguyên tố, ta có thể coi khe tương đương như một dây dẫn từ mà dòng từ chạy trong dây có quan hệ với điện áp trong khe theo công thức: ( ) ( ) 22 m day khe khe I bE z U z=− =− (6.7) Trong đó U khe (z) là điện áp sóng đứng, phân bố đối xứng với tâm khe () sin 2 khe bkhe l UzU z ⎛⎞ =− ⎜⎟ ⎝⎠ (6.8) Ở đây 2 l λ = chiều dài khe; U bkhe = U 0khe là điện áp ở điểm bụng sóng đứng phù hợp với điện áp điểm giữa của khe khi 2 l λ = . E x z λ/2 y Hình 6.7. Anten khe nửa sóng [...]... Hình 6.28 Anten Cassegrain lệch trục 6.8 TỔNG KẾT 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 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 vô tuyến... 2π 3π Hình 6 18 (6.33) 6.5.2 Các kiểu anten bức xạ mặt Các anten bức xạ mặt thường được sử dụng ở dải sóng 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 sóng, là kiểu anten bức xạ mặt đơn giản nhất Lý thuyết... trong vô tuyến truyền hình Các anten này thường đơn giản về cấu trúc, chịu được áp lực gió khi đặt trên cao và hoạt động của chúng có nhiều ưu điểm về thông 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 thông tin vệ tinh Loa có thể sử dụng như một anten độc lập hay thường xuyên... 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 sóng 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 sóng 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... gương parabol được sử dụng phổ biến trong thông tin vi ba và thông tin vệ tinh Cấu tạo của anten bao gồm hai bộ phận chủ yếu: 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... 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... mở của parabol và giá đỡ bộ phản xạ cũng phức tạp hơn Các anten phản xạ kép cũng được sử dụng trong thông tin vệ tinh, cho phép đặt tiếp sóng 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 có hình hyperbol tròn xoay và bộ phản xạ chính là parabol tròn xoay Anten Gregorian cũng có bộ phản xạ chính là parabol tròn xoay... sóng), thì ta sẽ được anten khe - ống dẫn sóng Thông thường khi dùng ống dẫn sóng chữ nhật thì kiểu sóng kích thích là sóng H10 còn với ống dẫn sóng tròn kiểu sóng kích thích là sóng H11 Khi có sóng điện từ truyền lan trong ống, ở mặt trong của thành ống sẽ có dòng điện mặt Véc tơ mật độ dòng điện mặt được xác định bởi biểu thức: J xe = [ nxH ] (6.12) Trong đó n là vectơ pháp tuyến mặt trong của thành ống,... sóng trong mặt phẳng đi qua trục của khe (mặt phẳng xOz- mặt phẳng H) và trong mặt phẳng vuông góc với trục của khe (mặt phẳng xOy- mặt phẳng E) chỉ ra trong hình 6.8: x a) x b) ϕ z θ y Hình 6.8 Đồ thị phương hướng của khe nửa sóng a) trong mặt phẳng H b) trong mặt phẳng E Vì khe bức xạ vào một nửa không gian nên đồ thị phương hướng cũng chỉ có ý nghĩa trong một nửa mặt phảng khảo sát 121 6.4.2 Anten. .. (b) 1,70; (c) 2,50; (d) 2,70 17 Một anten phát có hệ số khuếch đạilà 30 dBi, công suất phát của anten là 5W Ở cự ly 50 km đặt một anten thu gương parabol có đường kính miệng gương 1,5m Tính công suất anten thu nhận được a ) 1,13 pW; (b) 1,13μW; (c) 1,13 mW ; (d) 1,13 W 18 Số liệu như bài 17, tính tổn hao truyền sóng trong không gian tự do khi truyền từ anten phát đến anten thu 139 a ) 60,45dB; (b) 63,45dB; . 111 ANTEN DÙNG TRONG THÔNG 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 thông tin. những đặc điểm nêu trên, anten dùng trong thông tin vi ba có các yêu cầu nhất định 6.2.3 Các yêu cầu đối với anten dùng trong thông tin vi ba Tùy theo tính