Lý thuyết anten - Phần 1 - Chương 3 potx

Anten Tuanike : Anten Tuanike đơn giản là một kết cấu gồm hai chấn tử đối xứng đặt vuông góc với nhau, được tiếp điện với các dòng điện có biên độ bằng nhau một góc π/2.. Bức xạ của các

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC MỘT SỐ LOẠi ANTEN

-oOo -I Anten siêu cao tần:

Anten siêu cao tần là loại anten dùng cho dải sóng có bước sóng nhỏ (khoảng 10 m ) Nó được dùng trong thiết bị vô tuyến điện siêu cao tần như :vô tuyến truyền hình, rađa, điều khiển bằng vô tuyến Tùy theo yêu cầu cụ thể thì các anten siêu cao tần có tính phương hướng rộng hay hẹp, nhất định có kết cấu nhất định

1 Anten chấn tử ở siêu cao tần:

Chấn tử thường dùng là chấn tử nửa sóng Vì điện kháng vào của nó bằng không, kích thước nhỏ, tính phương hướng thường đạt yêu cầu Điện trở vào thường là 73,1 ohm

Chấn tử siêu cao tần có yêu cầu quan trọng là phải phối hợp với fide

Hình a: là chấn tử đối xứng tiếp điện bằng dây song hành Kết cấu này

bảo đảm tính đối xứng của chấn tử, trở kháng sóng của dây song hành khoảng vài trăm ohm Do đó phải có thiết bị hợp trở kháng

Hình b: là chấn tử tiếp điện sun Đoạn giống như điện cảm mắc ở đầu

vào Chọn l và L điều chỉnh được trở kháng vào của anten mà không cần thêm thiết bị phối hợp

Hình c:là chấn tử chiết hợp có trở kháng vào lớn phối hợp tốt với fide

song hành Do đó độ dài λ/2, dòng điện trên hai nhánh trên và dưới cùng chiều (đồng pha) khoảng cách của hai nhánh nhỏ hơn so với bước sóng Do đó bức xạ của anten chiết hợp có thể coi như bức xạ của hai chấn tử nữa sóng đồng pha, hay hai chấn tử có dòng điện là 2I

Công suất bức xạ: P = 2)2R = 2)2 ,31 (3.1)

2 Anten Tuanike :

Anten Tuanike đơn giản là một kết cấu gồm hai chấn tử đối xứng đặt vuông góc với nhau, được tiếp điện với các dòng điện có biên độ bằng nhau một góc π/2

Bức xạ của các tầng trong mặt phẳng ngang là đồng pha và vô hướng với trường cực hóa ngang sẽ dạng cực hóa ngang là cực hóa thích hợp để tránh nhiễu công nghiệp ở dải sóng cực ngắn

Anten Tuanike được sử dụng làm anten phát sóng vô tuyến truyền hình hoặc anten phát thanh sóng cực ngắn thì phải có hướng tính cao trong mặt phẳng thẳng đứng

Để đạt được yêu cầu này, anten được cấu tạo từ nhiều anten Tuanike đơn giản, xếp đặt thành nhiều tầng Khoảng cách giửa hai tần thường được chọn là λ/2 , với các tần được tiếp điện đồng pha

Khi sử dụng làm anten vô tuyến truyền hình cần có các yêu cầu sau :

- Bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang

- Bức xạ cực tiểu trong mặt phẳng đứng Tập trung công suất trong mặt phẳng ngang

- Điện trường phân cực ngang

Để thực hiện việc tiếp điện lệch pha giữa hai chấn tử trong cùng một tầng và tiếp điện đồng pha giữa các tầng

ο

90

Hai đường fide nói với hai nhóm chấn tử của hai mặt phẳng đứng sẽ được điều chỉnh ở chế độ sóng chạy và được nối song song với nhau, đồng thời độ dài của hai đuờng fide cần khác nhau một phần tư bước sóng độ tạo lệch pha 90ο giữa hai chấn tử vuông góc ở các tầng

Để kết hợp yêu cầu về dải tần số và các yêu cầu khác nhằm đảm bảo có một kết cấu vững chắc, ít chắn gió, có khả năng chống sét tốt, các chấn tử được chế tạo dưới dạng tấm lưới phẳng hình chữ nhật hoặc cánh bướm

3 Anten dẫn điện :( Anten YAGI)

Sơ đồ anten như hình vẽ, nó gồm chấn tử chủ động thường là chấn tử nửa sóng, một chấn tử phản xạ thụ động,và một số chấn tử dẫn xạ thụ động D Chấn tử chủ động A được nối với máy phát cao tần Dưới tác dụng của trường bức xạ tạo bởi A, trong Pv và D xuất hiện dòng cảm ứng và các chấn tử này sẽ bức xạ thứ cấp Nếu chọn được độ dài của điểm P và

khoảng cách từ A đến P một cách thích hợp thì P sẽ trở thành chấn tử phản xạ của A.Khi ấy năng lượng bức xạ của cặp A, P sẽ giảm dần về phía chấn tử phản xạ và tăng cường theo hướng ngược lại Tương tự nếu chọn được độ dài D và khoảng cách từ D đến điểm A một cách thích hợp thì D sẽ trở thành chấn tử dẫn xạ của A năng lượng hệ bức xạ của hệ A – D tăng cường về phía chấn tử dẫn xạ D Kết quả năng lượng bức xạ của hệ sẽ tập trung về một phía hình thành nên một kênh dẫn sóng dọc theo trục anten hướng từ phía chấn tử phản xạ về – phía chấn tử dẫn xa Mỗi anten Yagi thường chỉ có một chấn tử làm nhiệm vụ phản xạ

Số chấn tử dẫn xạ từ 2 đến 10 có khi tới vài chục cách nhau (0,15 –0,25 )λ Thanh phản xạ chỉ có một, khoảng cách thanh phản xạ với chấn tử chính (0,1 – 0,35 ) λ Hệ số khuếch đại của anten càng lớn nếu số chấn tử dẫn xạ càng lớn Anten dẫn xạ đạt được hệ số khuếch đại như sau:

Số chấn tử dẫn xạ Hệ số khuếch đại

II Anten sóng ngắn :

Anten sóng ngắn là anten dùng trong dải sóng

10 – 100 m Những anten sóng ngắn thường dùng

trong quân sự, hàng không, thông tin cự ly xa và phát thanh

a Những yêu cầu của anten sóng ngắn :

Anten sóng ngắn do đặc điểm truyền sóng nên có những yêu cầu cơ bản sau đây :

1 Sóng ngắn suy giảm nhanh trên mặt đất thường suy giảm hết khi đi khỏi đài phát Do đó phải truyền lan bằng sóng nơi anten sóng ngắn phải có một góc nghiêng nhất định tùy thuộc cự ly thông tin

2 Anten sóng ngắn phải là anten có dải tần số tương đối rộng do các thông số của tầng điện ly thay đổi

3.Tầng điện ly không đồng đều, mặt khác khi truyền lan qua tầng điện ly tia sóng lệch đi trong mặt phẳng ngang, do đó tính phương hướng của anten trong mặt phẳng ngang và đứng không thể quá hẹp phải là 20 – 30 0 và trong mặt phẳng đứng với mặt phẳng ngang là 10 –

15 0

4 Khi phản xạ ở tầng điện ly, sóng phân cực

thẳng sẽ bị chuyển thành phân cực ellip Do đó

điều kiện truyền lan của sóng trời không khác đối với sóng phân cực đứng hay ngang Anten phát thì thường phân cực ngang vì phân cực đứng có nhiều thành phần sóng đất do đó hiệu suất thấp

5 Để tránh hồi âm và tạp âm Tính phương hướng anten phải có múi phụ bè và đơn hướng Sóng ngắn gồm những loại anten đơn giản như: chấn tử đối xứng nằm ngang, dải tần, anten góc; anten phức tạp như: hệ thống chấn tử đồng pha, anten sóng chạy, anten trám

b Chấn tử ở sóng ngắn:

- Chấn tử đơn giản :

Chấn tử đơn giản sóng ngắn là một chấn tử đối xứng nằm ngang trên mặt đất Chấn tử làm bằng dây đồng hay lưỡng kim đường kính 2 – 4 mm (hình 3.4) Độ dài của anten là:

0.25≤ ≤0.64λ

l (3.2)

Anten căng trên một độ cao độ H = (0,1 – 1) λ (3.3)

Anten bức xạ lên hai múi đối xứng trong mặt phẳng xích đạo với góc Δ tùy thuộc vào độ cao H

Anten thường được tiếp điện bằng dây song hành đối xứng, trở kháng sóng fide theo hai tiêu chuẩn 300 và 600 Ω

- Chấn tử dải rộng :

Để mở rộng dải tần số theo yêu cầu thông tin sóng ngắn, người ta giảm trở kháng sóng anten (Ws) Chấn tử dải sóng thường làm có dạng giống như hình (3.5) gọi là chấn tử Hagehemko Chấn tử này gồm một số dây n cán thành dạng lồng sóng của chấn tử Tính theo công thức :

W =120( ∋ −1)

ρ

l In

ρρ

Ví dụ: Trên vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái Đất do Liên Xô phóng lên

bước sóng =15m, λ

m4.2lvàm9.2l,

Bức xạ của anten là tổng trở của bốn cạnh hình trám Anten trám thường căng ngang trên mặt đất ở độ cao H

+ Cường độ trường của anten trong mặt phẳng ngang:

2sin[

)]

,sin(

1(2sin[

.),sin(

1

cos

θϕ

r

I

(3.7) với Io dòng điện đầu vào của anten

θ :là góc hướng quan sát với đường chéo lớn

ϕ là 1/2 góc tù của anten

+ Cao độ trường của anten trong mặt phẳng đứng

)]sinKHsin(

)

sincos

12

Kl[sinsin

cos1

cosI

r

480

ϕΔ

Δ : góc của hướng quan sát với phương nằm ngang

3 Anten sóng chạy

Là một loại anten dùng để thu sóng điện từ

Anten chạy sóng gồm một dây song hành trở kháng W và đầu cuối có

phối hợp Rt Hai bên đầu dây có những chấn tử đối xứng với đường dây

qua những tụ ghép C Tất cả căng ngang trên mặt đất với một độ cao h

Độ dài của nhánh chấn tử nhỏ hơn λ /4 và cách chấn tử đặt cách nhau

khoảng λ /10 bước sóng Đầu của anten nối với máy thu có trở kháng

phối hợp

Anten có tính phương hướng khá cao Song hiệu suất rất thấp nên hệ số

khuếch đại của anten chỉ gần bằng 1, múi phụ của anten cũng nhỏ Vì

vậy anten chỉ dùng làm anten thu

β : góc truyền lan của sóng trên anten.Để giảm ảnh hưởng của các

chấn tử lên dây song hành người ta ghép các chấn tử vào dây qua một

tụ C có trở kháng lớn khoảng (4_10)pF

4 Anten sóng trung dài

a Những yêu cầu cơ bản của sóng trung dài :

Sóng trung dài là những sóng có bước sóng

lớn hơn 100 m hàng chia thành những khoảng sau đây

:

Từ 100 m - 550 m dùng cho phát thanh

Từ 550m - 750 m dùng cho các đài lưu động nhất là trong hàng hải

Từ 750m - 1.050 m dùng cho hàng không

Ta biết rằng sóng trung dài truyền lan bằng sóng đất là chính Phạm

vi thông tin quanh anten phát chia làm 3 miền, miền gần (khoảng 60 km

) thông tin bằng sóng đất, miền xa thông tin bằng sóng trời, miền trung gian có cả sóng trời và sóng đất là miền suy lạc lớn

Trong dải sóng này, người ta thường dùng anten dây hình T, ; anten cột và riêng để thu dùng anten vòng

Anten cột là một chấn tử không đối xứng trên mặt đất

Hệ thống dây đất anten gồm 60 – 120 dây dài 0,3 λ chạy từ chân anten tỏa ra hình dải quạt Hiệu suất anten khoảng (80 – 90 )%

Miền thu có thể chia làm ba miền: miền gần đài phát trong một bán kính r thu bằng sóng đất, miền xa thu bằng sóng trời, miền trung gian là miền suy lạc có sóng trời và sóng đất giao thoa với nhau

d Anten vòng, anten từ :

Dạng đơn giản của anten vòng là một khung dây hình chữ nhật có d x

h rất nhỏ so với bước sóng λ Anten tương đương với vòng điện hay một

lưỡng cực từ thẳng góc với mặt anten Hiệu suất của anten rất thấp do đó chỉ dùng làm anten thu

Anten từ là loại anten thu thông dụng gồm một thanh pherit trên cuộn từ một số vòng dây đặt ngay trong máy thu

Ưu điểm của anten là kích thước nhỏ, khả năng chống tạp âm tương đối tốt nhờ tính định hướng và nguyên lý làm việc của anten

Anten pherit có nhiều dạng phổ biến nhất là loại anten có một thanh pherit dài l = 100 – 200 m đường kính d = 5 – 10 mm trên 3 cuộn dây L1, L2 , L3 như hình (3.12)

Cuộn L1 và L3 thường đặt cách đầu thanh khoảng 0,2 l

Ở băng sóng dài cả ba cuộn mắc nối tiếp làm thành cuộn cảm mạch vào Ở băng sóng trung cuộn L1 bị nối tắt, khi ấy chiều cao hiệu dụng của anten có giảm đi khoảng 25% Cuộn L3 dùng để điều chỉnh trị số điện cảm của mạch cộng hưởng vào

Anten bắt vào bộ máy bằng giá 3 và vít 4 Ngoài ra, để giảm hiệu ứng anten ta có thể dùng một ống hở hình trụ 5 để bọc anten

5 Anten xoắn

Anten xoắn là loại anten mà phần tử bức xạ cơ bản của nó là các vòng dây dẫn có dòng điện sóng chạy Trường bức xạ của anten xoắn trong trường hợp tổng quát là trường phân cực quay Anten xoắn thường được ứng dụng trong dải sóng cực ngắn, gồm nhiều loại: xoắn trụ, xoắn phẳng, xoắn hình chóp Khi lắp anten xoắn, phải chú ý đến đường kính của dây và chất cách điện của lõi đỡ dây

a Anten xoắn trụ

Anten gồm một đường dây xoắn dẫn điện và một màn chắn kim loại

Anten được tiếp điện bởi fide đồng trục, lỏi fide được nối với đường dây xoắn, vỏ fide nói với mặt kim loại Dạng sóng có tác dụng chủ yếu trong mỗi đường dây xoắn phụ thuộc vào kích thước tương đối của vòng xoắn so với bước sóng công tác Các thông số hình học đặc trưng

cho anten xoắn trụ là bán kính a, bước sóng s (hoặc độ dài của mỗi

vòng xoắn và góc xoắn α), và số vòng N

L: chiều dài vòng xoắn

Đồ thị phương hướng của anten được vẽ ở hình (3.14)

Ưu điểm : kết cấu đơn giản, dải tần rộng Hệ số bao trùm dãy sóng

λmax/λmin=1,7

Nhược điểm: hướng tính không cao

b Anten xoắn phẳng :

Anten xoắn phẳng lôgarit và xoắn phẳng

acsimet đều là các anten bức xạ trường phân cực quay

Để tiếp điện cho anten xoắn phẳng lôgarit cũng như xoắn acsimetcó thể dùng file song hành vì kết cấu của các anten này là kết cấu đối xứng Trong thực tế, việc tiếp điện cho anten có thể thực hiện bằng fide đồng trục Khi ấy vỏ ngoài của fide được gắn vào một nhánh của anten xoắn, còn lõi của fide đồng trục được tiếp cho nhánh thứ hai Các nhánh của anten có thể được cấu tạo từ các lá kim loại mỏng dán lên các tấm điện môi Bước sóng cực đại của dải tần số có quan hệ với độ dài nhánh anten và được xác định từ hệ thức :

L= (1 – 1,5 )λ max (3.9)

l: độ dài của một nhánh anten

Bước sóng cực tiểu của dải tần số có quan hệ với bán kính ban đầu của đường xoắn và xác định

c Anten xoắn chóp :

- Anten xoắn chóp lôgarit: có đồ thị bức xạ đơn hướng (hình 3.15), hướng bức xạ của anten xoắn chóp là hướng trục, cực đại về phía đỉnh chóp Trong thực tế, anten được kế cấu từ các băng kim loại gắn lên mặt nón điện môi, việc tiếp điện cho anten có thể được thực hiện bằng cáp đồng trục gắn dọc theo băng kim loại

Trở kháng vào của anten xoắn chóp lôgarit thực tế không biến đổi trong dải tần công tác Trị

thực tế, anten xoắn thường và xoắn lôgarit cũng có thể được thiết lập trên các mặt có hình dạng khác

8 Anten mạch in (anten mạch dải )

Anten mạch in( hay anten mạch dải) còn thường được gọi là anten mạch vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ, về thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe

Về cấu tạo, mỗi phần tử anten mạch dải gồm các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn

kim loại và bộ phận tiếp điện( hình 3.17 )

Phiến kim loại được gắn lên đế điện môi, tạo nên một kết cấu tương tự một mảng của mạch in, do vậy anten có tên gọi là anten mạch in Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W,bề dày t và hằng số điện môi ε của lớp đế điện môi Phần tử anten mạch dải có thể tiếp điện bằng đường truyền mạch dải hoặc dùng cáp đồng trục có đầu thăm nối với phiến kim loại, còn vỏ cáp nối với màn chắn

Trong mặt phẳng E ( mặt phẳng vuông góc với trục của khe), trường bức xạ của hai khe được xác định :

K: đại lượng phụ thuộc vào biên độ trường được kích thích trong khe,

λo là bước sóng trong không gian tự do Công thức này đúng cho các góc ϕ nằm trong giới hạn 0 < ϕ <180, nghĩa là đúng cho nửa không gian phía trên của màn chắn

Đồ thị phương hướng của anten mạch in được vẽ ở hình (3.18)

Anten mạch dải được sử dụng chủ yếu ở dải siêu cao tần, có nhiều ưu điểm về mặt kết cấu ( nhỏ, nhẹ, mỏng, chắc chắn) và có thể áp dụng công nghệ mạch in để sản xuất nên giá thành thấp

Phần tử bức xạ của anten mạch dải nằm ở phía trên của tấm kim loại ( màn chắn dẫn điện ) nên có thể dể dàng kết hợp các phần tử anten với các mạch tích cực( mạch khuếch đại, đổi tần…) hoặc các mạch xử lý tín hiệu nằm ở phía sau màn chắn để tạo ra anten tích cực hoặc anten có xử lý tín hiệu

9 Anten loa

Có dạng như hình (3.19):

Anten loa thuộc loại anten bức xạ mặt Mặt

bức xạ của anten là miệng loa, phần tử bức xạ

cơ bản của anten là nguyên tố Huyghen, là

nguyên tố điện tích được kích thích bởi từ

trường đồng pha Anten loa thường được dùng ở

dải sóng cm

Năng lượng cao tần được truyền theo ống dẫn

sóng tới cổ loa dưới dạng sóng phẳng Ở đây

một phần nhỏ năng lượng sẽ phản xạ trở lại,

còn đại bộ phận tiếp tục truyền theo thân loa

dưới dạng sóng phân kỳ tới miệng loa Tại

miệng loa, phần lớn năng lượng được bức xạ ra

không gian ngoài, một phần sẽ phản xạ trở lại

Sự phản xạ sóng từ cổ loa sẽ càng lớn khi góc

mở của loa càng lớn, còn sự phản xạ từ miệng

loa sẽ càng nhỏ khi kích thước của miệng loa càng nhỏ

Hình 3-19

Vận tốc pha của sóng truyền ra là:

2)b2(1

cv

λ

−

với : c là vận tốc ánh sáng

b là kích thước của miệng loa

Các anten dạng loa không cho độ định hướng cao nhưng có kết cấu đơn giản Kích thước của anten phụ thuộc góc chùm tia mong muốn, độ lợi hướng và các chỉ tiêu kỹ thuật có liên quan với nhau

Băng thông của anten loa hẹp hơn nhiều so với anten parabol có cùng kích thước

10 Anten chữ thập-cánh bướm

Đây là loại anten phát dải rộng ở băng sóng mét (VHF) anten

cấu tạo trên cơ sở sử dụng các chấn tử nửa sóng (λ/2) phân cực ngang Biểu đồ hướng ngang của chấn tử là hình số 8 (hình 3.20.a)

- Để tạo được biểu đồ hướng ngang là hình tròn ta sử dụng hai chấn tử λ/2 đặt vuông góc với nhau trên mặt phẳng nằm ngang, và cấp nguồn nuôi lệch pha (hình 3.20.b) Để tạo được biểu đồ hướng đứng hẹp cần sử dụng vài tầng anten chữ thập, tầng nọ cách tầng kia

.Hình(3.20.c)

ο

902

/

λ

≈

- Để mở rộng dải tần của anten cần tăng đường kính hoặc độ rộng của các chấn tử Trong kiểu anten chữ thập có thể dùng loại chấn tử phẳng có chiều cao Đây là một tập hợp các vòng trên một mặt phẳng Chấn tử phẳng có dải thông tần cỡ

4/λ

≈

%20

15÷ tần số trung bình Dòng điện cao tần chạy trong chấn tử theo hướng ngang, nên chấn tử không nhất thiết là mặt phẳng liền kín, mà có thể chế tạo như trên hình vẽ (hình 3.20.d phía trên) để giảm ảnh hưởng của gió

Chấn tử phẳng có thể xem như có một đường fide nuôi λ/4 bị đoản mạch từ 1÷n (hình 3.20.d) Các chấn tử 1- ;21, ÷2,; ;n÷n, đặt nằm ngang theo chiều dài của fide, chúng lại tạo nên một đường dây hở mạch.Các chấn tử sẽ có pha khác dấu với nhau Đường bao nối các đầu

tạo thành hình nửa cánh bướm Trong thực tế thường sử dụng loại anten cánh bướm là tổ hợp của hai chấn tử phẳng để tạo thành hình >< (hình 3.20 d)

- Chiều dài các đoạn dây fide từ điểm a và khác nhau λ/2, vì thế tạo ra điện áp nuôi ngược pha nhau cho các chấn tử 1 và 3

λ (hình 3.21 a)

Với phương pháp nuôi các chấn tử bằng các dòng điện dịch pha nhau có thể giảm tối đa sóng phản xạ về dây fide chính, có nghĩa là tăng hệ số sóng chạy và mở rộng dải tần làm việc của anten Trong những trường hợp nguồn nuôi được cấp riêng biệt từ máy phát hình và máy phát tiếng thì hệ thống phân phối tín hiệu sẽ có thêm chúc năng làm thành một bộ lọc phân cách (hình 3.22)

Mỗi anten thấu kính gồm hai phần chính là thấu kính và bộ chiếu xạ Tùy theo thấu kính là loại đối xứng trục hay hình trụ mà bộ chiếu xạ có hình dạng thích hợp để tạo thành sóng sơ cấp đưa tới thấu kính

Một số loại anten thấu kính được vẽ ở hình ( )

Ở hình vẽ, ta có các loại thấu kính điện môi (hình a,b), thấu kính giả điện môi hoặc còn gọi là thấu kính điện môi kim loại (hình c), và các thấu kính kim loại (hình d,e,f) Việc tạo thành chùm tia song song ở mặt ra của thấu kính có thể do sự khúc xạ sóng tại một mặt thấu kính hay tại cả hai mặt (tùy theo từng kết cấu cụ thể)

a Thấu kính điện môi :

Thấu kính điện môi thuộc loại thấu kính

chậm Chiết suất của thấu kính được xác định bởi hệ số điện môi tương đối của vật liệu chế tạo, theo công thức:

với ε: hằng số điện môi của thấu kính

:hằng số điện môi của môi trường không khí

ο

ε

Thấu kính điện môi có ưu điểm là dải tần rộng và tính chất hội tụ của nó không phụ thuộc vào sự phân cực của sóng Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có gây tổn hao đối với sóng truyền qua và đắt tiền Hiệu suất của thấu kính được xác định :

δ :là góc tổn hao của điện môi, t là độ dày của thấu kính

Để giảm tổn hao, cần sử dụng điện môi có ntgδ nhỏ, ví dụ polistirol có n =2,3 , tgδ = 0,0001

b Thấu kính kim loại:

Biết rằng không có các điện môi với n <1, vì vậy để chế tạo thấu kính nhanh cần sử dụng kết cấu gồm các tấm kim loại đặt song song nhau Khi ấy, môi trường giữa hai tấm kim loại kề nhau sẽ giống như môi trường trong ống dẫn sóng chữ nhật, có

kích thước trong mặt phẳng H bằng khoảng cách a giữa hai tấm kim loại Vận tốc pha của sóng truyền qua là:

2)2/(

c v

c Thấu kính điện môi-kim loại:

Là thấu kính thuộc loại thấu kính chậm Nó được cấu tạo bởi các phần tử kim loại mà kích thước của các phần tử này theo phương của vector E có giá trị nhỏ so với bước sóng Các phần tử kim loại này có thể có kết cấu và hình dạng khác nhau :hình cầu, hình đĩa dẹt, dải kim loại.…

Hệ số điện môi được xác định:

Trong đó, N là số phân tử trong một đơn vị thể tích

α là hệ số phân cực của một phần tử, là hệ số điện môi của chân không

Chiết suất củaSđiện môi-kim loạiT được xác định bởi công thức:

d Thấu kính kim loại gấp khúc:

Thấu kính được kết cấu bởi hai lá kim loại song song, uốn theo đường gấp khúc, sao cho các tia truyền trong đó sẽ có quỹ đạo mà độ dài hình học của các quỹ đạo ấy đều bằng nhau

e Thấu kính không đồng nhất:

Một trong những thấu kính không đồng nhất là thấu kính Luneberg Thấu kính có thể được chế tạo dưới dạng hình cầu hoặc hình trụ tròn có chiết suất biến đổi theo hướng bán kính theo qui luật:

2

)(2)(

Nguyên lý chung:

Nguyên lý làm việc của anten gương tương tự như nguyên lý của gương quang học Sóng sơ cấp với dạng của mặt sóng và hướng truyền lan nhất định, sau khi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành sóng thứ cấp với dạng của mặt sóng và hướng truyền lan biến đổi theo yêu cầu cho trước Việc biến đổi dạng mặt sóng và hướng truyền lan được thực hiện nhờ hình dạng và kết cấu đặc biệt của mặt gương Anten gương có nhiệm vụ vừa biến đổi dạng giản đồ hướng của bức xạ sơ cấp, vừa biến đổi hướng truyền lan (antenloa – parabol) hoặc chỉ biến đổi hướng bức xạ(anten periscop) Ngoài ra, trong một số trường hợp để nâng cao chỉ tiêu chất lượng của anten người ta còn kết hợp một số gương tạo thành anten kép (anten Cassegrain)

-Hình a: giản đồ hướng bức xạ sơ cấp - thứ cấp với anten gương

parabol

-Hình b: giản đồ hướng bức xạ sơ cấp - thứ cấp đối với anten gương có

đồ thị phương hướng dạng cosec

-Hình c: vẽ giản đồ hướng và truyền lan của bức xạ sơ cấp - thứ cấp với

anten loa – parabol

-Hình d: vẽ sự biến đổi hướng bức xạ của sóng sơ cấp – thứ cấp đối với

anten gương pêriscôp

Là loại anten sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng sóng Viba là anten phản xạ dạng Parabol (thường được gọi là anten Parabol) Nó bao gồm một anten sơ cấp như là một lưỡng cực đặt tại tiêu cự của một tấm phản xạ dạng Parabol như hình vẽ

Miệng hay góc mở vật lý của tấm phản xạ có dạng tròn và chu tuyến của tấm phản xạ hướng về mặt phẳng chứa tiêu cự F Điểm quan trọng của loại anten này là có thể hội tụ các tia song song vào tiêu cự của nó và ngược lại có thể tạo ra chùm tia song song từ các bức xạ phát sinh từ tiêu cự Nếu có một nguồn bức xạ đẳng hướng đặt ở tiêu cự thì ngoài chùm tia song song như ta mong muốn còn có các tia không đi từ mặt phản xạ ra chúng tạo thành các tia vượt qua (Spillover) như ở hình vẽ

Ở chế độ thu các tia này sẽ làm gia tăng tạp âm và chúng có thể giao thoa phá hủy chùm tia phản xạ Trong thực tế, một vật bức xạ được thiết kế để có tối thiểu hoặc loại bỏ các tia này

So với anten dạng kèn thì anten Parabol có độ định hướng cao hơn, băng thông làm việc lớn hơn và nhiều chỉ tiêu kỷ thuật khác tốt hơn nên nó thường được sử dụng trong lĩnh vực Viba

CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ANTEN PARABOL

Các đặc tính của anten đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống liên lạc Viba điểm nối điểm Ở đây ta chỉ xét các đặc tính cơ bản của anten có ảnh hưởng đến việc thiết kế của các hệ thống liên lạc Viba trực xạ

Một số điểm sau đây về anten phải luôn luôn được hiểu rõ khi khảo sát anten

- Anten là một thiết bị thuận nghịch vì thế các phẩm chất phát và thu là đồng nhất ở cùng một tần số

- Các anten được đặt cố định trên các tháp anten Các tháp anten này được đặt tại các vị trí cố định

- Kích thước của anten dùng để chỉ đường kính của khẩu độ bức xạ Đối với anten Parabol kích thước khẩu độ bức xạ nhỏ hơn đường kính thực của đĩa Một anten Parabol thường có lắp các viền uốn hoặc các đường viền phía sau để gia cường hoặc tạo ra một mặt giá để che chắn bộ hấp thụ

- Băng tần: Băng tần này được định nghĩa là băng tần liên tục trong đó anten sẽ làm việc Nói chung mỗi anten chỉ làm việc với một băng tần Những yêu cầu cao hơn trong việc lắp đặt các anten hiện nay đã khẳng định một vấn đề quan trọng trong thiết kế anten là cần một anten làm

việc được với nhiều băng tần Thường những băng tần này nằm xa nhau, lúc này anten được hiểu như là một anten SBăng đối ngẫuT Nhưng vì nhiều lí do khác nhau băng tần làm việc của anten Viba do ống dẫn sóng cung cấp không vượt quá ± 7% tần số trung tâm

a Biểu đồ bức xạ của anten

Vì anten là một thiết bị thuận nghịch nên làm việc như nhau hoặc phát hoặc thu Ở đây anten được xem như chỉ để thu, biểu đồ bức xạ được xác định là đáp tuyến của anten đối với một tín hiệu có công suất không đổi được phát đến anten từ các hướng khác nhau Công suất đáp ứng của anten đo ở ngõ ra mặt bích của anten Trong khi đó quay anten cần đo trong mặt phẳng ngang 360 độ công suất đáp ứng được đo ở cửa ra mặt bích bằng một máy thu trong suốt quá trình đo, anten phát đặt ở một vị trí thuận lợi Đo ở các mặt phẳng khác có thể thực hiện đơn giản bằng việc quay anten cần đo và thay đổi vĩ độ của anten phát Sau mỗi lần đo khi anten thu đã quay hết mặt phẳng ngang Một biểu đồ như vậy có 3 chiều Hướng mà theo hướng đó công suất nhận là cực đại gọi là hướng chính (boresight ) của anten Khi làm việc với các anten của trạm Viba ta có thể xem biểu đồ bức xạ của mỗi trục độc lập với nhau Mặc dù trong hầu hết các trường hợp các biểu đồ bức xạ là đồng nhất

Các biểu đồ bức xạ ïcòn có thể được biểu diễn dưới dạng các cung có độ lợi không đổi dạng biểu diễn này phù hợp tốt cho việc xác định diện tích bao phủ của vệ tinh

b Độ rộng búp sóng :

Độrông búp sóng là thuật ngữ thường dùng với nghĩa S Độ rộng nửa công suấtT Độ rộng búp sóng nửa công suất được định nghĩa là độ rộng góc của búp sóng chính tương ứng với khi biên độ của biểu đồ bức xạ giảm 3 dB so với đỉnh trục tia chính Đối với các anten mà mẫu bức xạ của nó không đối xứng mỗi trục của nó có độ rộng búp sóng nửa công suất riêng Các biểu đồ bức xạ như vậy thường dùng trong liên lạc Viba

Cùng với công suất nhận được (hoặc phát đi) của anten theo hướng mong muốn bằng búp sóng chính của nó, một ít năng lượng cũng nhận được (hoặc phát đi) theo các hướng không mong muốn bởi các búp sóng phụ Công suất phát đi theo các búp sóng phụ có thể gây giao thoa cho các hệ thống vô tuyến khác và ngược lại có thể nhận các tính hiệu giao thoa Các giao thoa này đặt ra giới hạn chung về hiệu quả sử

các hệ thống khác nhau Vì vậy, cần giảm thiểu búp sóng phụ của anten Thực tế, tầm quan trọng của các đặc tính búp sóng phụ của anten có thể được đánh giá bởi các luật vô tuyến quốc tế bằng cách nên sử dụng các biểu đồ bức xạ xác định cho mỗi trạm để cho phép sự đồng tồn tại của nhiều hệ thống vô tuyến khác nhau Góc mở của anten có thể được ứng dụng chung cho các ứng dụng liên lạc Viba bởi

vì khả năng hội tụ truyền dẫn của chúng trong một diện tích mong muốn Biểu đồ bức xạ của các góc mở anten phụ thuộc vào sự phân bố của biểu đồ trường ngang qua góc mở Để giảm thiểu sự tràn qua của năng lượng, sự phân bố thường nhọn đầu dọc theo góc mở với cực đại nằm ở giữa Độ rộng búp sóng nửa công suất ϕhp phụ thuộc vào sự phân bố của khẩu độ, đường kính và tần số hoạt động của anten

Mối quan hệ gần đúng hữu ích của ϕhp là:

ϕhp =

D

Nλ (3.23)

Trong đó:

N: là hằng số phụ thuộc vào sự phân chia góc mở

N = 58 cho phân bố đồng nhất

N = 70 cho phân bố dạng chóp tiêu biểu

D : đường kính của anten (mét)

λ : bước sóng làm việc tương ứng (mét)

Cường độ bức xạ P( θ,ϕ ) của một anten theo hướng

(θ,ϕ) được định nghĩa là công suất được bức xạ từ anten cho mỗi đơn vị góc khối ở hướng đó

Độ định hướng của anten D (θ,ϕ) là một số đo của phẩm chất hội tụ

của anten tính bằng:

D (θ,ϕ ): cường độ bức xạ theo hướng (θ,ϕ )

θ :góc ngẩng lên

ϕ :góc phương vị

Pav :cường độ bức xạ trung bình (công suất bức xạ trung bình một anten trên một đơn vị góc khối )

P

π

4

r av

P

= ( 3.25) Trong đó :

Pr :Tổng công suất bức xạ từ một anten

Định nghĩa về độ định hướng không đưa hiệu

công suất thực đưa vào không gian

Trong một anten một ít công suất sẽ mất đi do tràn năng lượng, sự che lắp năng lượng RF bởi các tấm phản xạ phụ, các cấu trúc đỡ, các khuyết tật do nhà sản xuất, tổn thất phản xạ và tổn thất thuần trở Các tổn thất này làm giảm độ lợi của anten và được tính bởi một giá trị hiệu suất cho anten Vì vậy mỗi anten có một hiệu suất liên kết Sau đây là một biểu đồ bức xạ đơn trục của một anten Parabol với các tham số quan trọng cho liên lạc Viba

Góc theo hướng chính ( o )

Mẫu phân cực chéo

Phân biệt phân cực chéo

-3dB 0

Boresight Mẫu đồng cực

Búp phụ

c Độ lợi anten :

Độ lợi thu và phát của anten là khả năng đưa

ra năng lượng RF theo một hướng xác định hoặc thu năng lượng từ một hướng xác định Đối với các hệ thống trực xạ yêu cầu anten phát chỉ phát năng

lượng về một hướng duy nhất, là hướng của anten cần thu Độ lợi của anten là độ chênh lệch mật độ công suất ở điểm trường xạ giữa anten đang phát và mật độ công suất tại điểm đó, nhưng đã được thay thế bằng một anten giả bức xạ năng lượng đồng đều