CHƯƠNG VIII: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN PHÁT HÌNH

Anten phát bức xạ sóng điện từ ra không gian theo mặt cầu vô hướng như hình vẽ sau: * Mặt sóng và phương tuyến.. Trong không gian truyền sóng, điện trường và từ trường có mối liên hệ với

CHƯƠNG VIII: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN PHÁT HÌNH

Có rất nhiều vấn đề về anten mà các sách đã viết, song có lẽ viết về anten phát hình thì hầu như rất ít tài liệu Ở đây, người thực hiện nêu ra một số đặc điểm cũng như các công thức tính toán tương đối dựa vào tài liệu nước ngoài

Anten phát hình khác với anten thu hình, anten phát hình phải được thiết kế

để bảo đảm các yêu cầu cơ bản sau:

- Tạo biểu đồ hướng ngang theo yêu cầu cụ thể địa hình của đài phát hình cần phủ sóng

- Tạo biểu đồ hướng đứng càng hẹp càng tốt, có nghĩa là bức xạ đứng phải cực tiểu

- Tạo được góc nghiêng của búp hướng chính từ -0,5o ( 1o tùy theo độ cao của anten

- Đáp ứng tất cả các thông số kỹ thuật cần có

Để tạo được một anten phát hình với công suất mong muốn, có rất nhiều điều kiện phải được thỏa mãn Sau đây, chúng ta tìm hiểu những đặc điểm về lan truyền và các công thức tính để thiết kế anten phát hình

I SỰ TRUYỀN SÓNG RADIO TRONG KHÔNG GIAN:

1 Khái niệm về sóng Radio:

Sóng Radio còn được gọi là sóng vô tuyến, nó bao gồm từ dải sóng dài có bước sóng hàng ngàn mét đến dải sóng cực ngắn có bước sóng dưới 10 mét và dải sóng siêu ngắn có bước sóng centimet và milimét Con ngưới đã dùng sóng vô tuyến để làm sóng mang (carrier) truyền tải qua không gian các dạng tín hiệukhác nhau tùy theo ý muốn Người ta chia ra làm các loại sóng: sóng dài, sóng trung, sóng ngắn, sóng cực ngắn Ở dải sóng trung từ 200m - 3000m (1,5MHz ( 100KHz), ở dải sóng ngắn từ 10m - 200m (30MHz ( 1,5 MHz) chủ yếu dùng để phát thanh Ở dải sóng cực ngắn dùng cho phát thanh FM, truyền hình, điều khiển

và nghiệp dư Ở dải sóng siêu ngắn (viba), ngày nay được dùng cho mạng lưới viba hỗn hợp chứa nhiều dạng tín hiệu, truyền tải được cả hai chiều

Sóng Radio dược dùng làm sóng mang (carrier) để truyền tải tín hiệu có ích dưới hai dạng điều biên (AM) hay điều tần (FM) Sóng này có dạng hình sin

và có tính chu kỳ

Sóng radio mang tính chất sóng điện từ, nó có thể chuyển đổi lẫn nhau trong không gian truyền dẫn từ dạng điện trường sang từ trường và ngược lại

Anten phát bức xạ sóng điện từ ra không gian theo mặt cầu vô hướng như

hình vẽ sau:

* Mặt sóng và phương tuyến

P

P P

P

P

P

E

E

E

E

E

E

Ở mỗi thời điểm trên mặt cầu các sóng bức xạ đều đồng pha nhưng có

biên độ thay đổi Vectơ điện trườngĠ tiếp tuyến với mặt cầu, còn phương truyền p

thẳng góc vớiĠ Nếu xét một đoạn mặt cầu thì sẽ được mặt phẳng sóng như hình

b

Trong không gian truyền sóng, điện trường và từ trường có mối liên hệ với

nhau theo công thức:

Ω

=

=120π 876.8

H E

với E tính bằng V/m

H tính bằng A/m

Mối liên hệ trên được gọi là trở kháng sóng truyền lan trong không gian

Vận tốc truyền lan của sóng điện từ trong không gian được tính theo công

thức:

εμ

c

Với c : tốc độ ánh sáng (c=300.000km/s) hay 186.000 miles

(: hằng số điện môi của môi trường truyền sóng

(: độ từ thẩm của môi trường truyền sóng

Trong chân không, giá trị ( = ( = 1, nên tốc độ truyền lan sóng điện từ

bằng tốc độ ánh sáng Còn trong không gian, giá trị ( và ( luôn lớn hơn 1 nên tốc

độ truyền lan nhỏ hơn tốc độ ánh sáng đôi chút

Sĩng Radio truyền lan trong khơng gian bao gồm hai thành phần: điện trường E và từ trường H, được mơ tả ở dạng vectơ như hình sau:

Phát

E

P

H

900

Phương truyền

Mặt phẳng làm việc

Thu

P

Phương truyền

Độ dải bước sóng

P

900

E

H (a)

(b)

(c)

Hai vectơĠ vàĠ luơn thẳng gĩc với nhau và nằm trong một mặt phẳng Cịn phương truyền p luơn luơn thẳng gĩc với mặt phẳng chứaĠ vàĠ và hướng từ tâm mặt cầu sĩng ra ngồi Giá trị cho p biểu thị năng lượng bức xạ qua 1m2 trong

1 giây và được tính:

π 120

2

E H E

Mặt phẳng chứa điện trường phân cực E và phương truyền sĩng p được gọi là mặt phẳng truyền sĩng phân cực, gọi tắt là mặt phẳng phân cực Ở đây, ta đang xét mặt phẳng phân cực tuyến tính Căn cứ vào đặc tính phân cực của truyền lan sĩng điện từ để thiết kế loại anten thích hợp Phần lớn anten đều cho dạng sĩng phân cực tuyến tính, ví dụ như anten roi, anten cột hình trụ Do quá trình truyền lan trong khơng gian cĩ mơi trường khơng đồng nhất ở tầng điện ly do bụi, mây, ion gây nên hiện tượng tán xạ và khúc xạ sĩng truyền, làm thay đổi hướng phân cực, một số phần tử chuyển thành phân cực ngang Điều quan trọng là ta phải chú

ý để khắc phục các tác nhân này

* Các đại lượng liên quan:

- Trong trường hợp phát đẳng hướng, công suất trung bình trên mặt cầu được tính:

2

4 d

P

π

= trong đó: PAV : công suất trung bình trên đơn vị diện tích [W/m2]

Pt : công suất tổng [W]

d : bán kính của mặt cầu (khoảng cách từ trung tâm phát đến điểm thu) (m)

- Góc mở hiệu dụng (effective aperture) Ae của anten thu có quan hệ với khả năng thu năng lượng EM (electromagnetive) để cấp cho tải Xét trường hợp anten thu đặt trong mặt phẳng nhỏ của mặt cầu đẳng hướng thì:

π

λ 4

2

=

e A

- Công suất phân phối trên tải:

2

4 d

P

π

λ

=

Trong đó :Ġ

- Tổn hao trên đường truyền từ trung tâm phát đẳng hướng đến anten thu:

L

t dB

P

P

Hoặc LdB = 20log d + 20log f + kd

Trong đó : d là cự ly truyền [m],

f là tần số sóng mang [MHz]

Kd là hằng số phụ thuộc vào đơn vị tính của d như sau:

kd = 32,4 nếu d tính bằng Km

kd = 36,58 nếu d tính bằng miles theo quy chuẩn thông thường

kd = 37,80 nếu d tính bằng miles dùng trong hàng hải

kd = -37,87 nếu d tính bằng feet

kd = -27,55 nếu d tính bằng mét

* Sơ lược về cấu trúc tầng khí quyển:

Lớp khí quyển bao quanh trái đất có bề dày từ (2000 ( 3000) km, được cấu tạo chủ yếu bằng khí nitơ, oxy và hơi nước, là môi trường truyền dẫn sóng khá tốt

Nó được phân thành các lớp cơ bản sau đây:

- Tầng đối lưu (tropo layer, troposphere) nằm cách mặt đất từ 8 đến 18 km

và phân bố tùy theo vĩ độ Ở miền nhiệt đới, lớp trên của tầng đối lưu ở độ cao từ

16 ( 18km, ở vĩ độ ôn đới hạ xuống từ 10 ( 12km, còn ở miền hàn đới (hai cực) lại hạ xuống từ 8 ( 10km

- Tầng bình lưu (stratosphere) nằm bên trên tầng đối lưu ở độ cao từ 60 (

80 km Đặc trưng của tầng này là hoàn toàn không có hơi nước

- Tầng ion: (ionsphere) hay tầng điện ly nằm bên trên tầng bình lưu, ở thượng tầng khí quyển Đặc trưng của tầng này là có nhiều phần tử tích điện, điện

tử và ion; được tạo nên là do sự bắn phá các phân tử khí trung hòa của các tia cực tím, tia bức xạ của mặt trời, tia vũ trụ và của hàng chục ngàn dòng sao băng luôn xâm nhập vào bầu khí quyển trong một ngày đêm, đã tạo nên quá trình ion hóa Mật độ ion ở tầng điện ly luôn biến đổi, theo đó sự truyền lan sóng Radio ở tầng này cũng thay đổi theo

Áp suất, nhiệt độ và độ ẩm sẽ giảm dần theo độ cao của lớp khí quyển Nếu tăng độ cao lên 1km (kể từ tầng đối lưu) thì nhiệt độ ở lớp dưới giảm 5oC, còn ở lớp trên thì giảm 7oC

2 Truyền lan sóng Radio:

Sóng Radio truyền lan trong không gian và trên mặt đất được mô tả như hình sau:

H

H

D3

D2

D1

Space Ware Pro agation

Sóng truyền lan trong không gian ở tầng điện ly thường được gọi là sóng trời, truyền lan chủ yếu ở tầng điện ly (hay ion)

Sóng truyền lan trên bề mặt trái đất thường được gọi là sóng đất, bao gồm sóng truyền ở phía dưới bề mặt trái đất, các sóng được phản xạ từ bề mặt trái đất, sóng nhiễu xạ ngoài tầm nhìn và sóng khúc xạ ở tầng đối lưu

Trên đường truyền xảy ra hiện tượng sớm pha hay chậm pha do phản xạ

sẽ làm thay đổi phân cực và biên độ của chùm sóng tới, gây ra hiện tượng pha đinh

và tổn hao năng lượng bức xạ Hệ số tổn hao được tính bằng:

f

r S

S

Trong đó:

Sr : mức tín hiệu ở điểm thu bao gồm sóng phản xạ từ mặt đất (ground reflection), theo đường D2 - D3

Sf : năng lượng sóng không gian (free space) truyền trực tiếp theo đường D1, không có phản

xạ

Công thức được tính cụ thể như sau:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

1

2 2

D

h h Sin

λ

π

Độ dịch chuyển pha trong quá trình truyền được tính:

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

=

Φ

1

2

D

h h

λ

π

Trong quá trình khúc xạ (xảy ra với dải tần VHF) sẽ làm uốn cong phương truyền và hướng theo bề mặt trái đất Ngưới ta gọi là hiệu ứng bán kính trái đất, biểu thị qua thông số ke và được tính:

0

R

R

Trong đó:

- Ro : bán kính trái đất, Ro = 6370 km = 3440 miles

- R : bán kính của mặt cong phương truyền

Giá trị ke vào khoảng 1,2 ( 1,234 Đối với sóng cực ngắn (UHF) mặt cong khúc xạ gần mặt đất hơn nên lấy ke = 4/3 = 1,33 làm giá trị tiêu chuẩn trong tính toán

Ở Việt Nam lại hay dùng khái niệm sóng đất và sóng trời Sóng đất có ý

mô tả sóng truyền trên bề mặt và trong lòng đất; còn sóng trời có ý mô tả các dạng sóng truyền trong không gian

Ở vùng không gian gần bề mặt đất, cự ly truyền lan được tăng cường nhờ vào các hiện tượng nhiễu xạ, khúc xạ, và tán xạ

- Sóng nhiễu xạ (diffraction) phát sinh tác dụng khi trên đường truyền sóng gặp các vật cản có kích thước bằng hoặc lớn hơn nhiều lần bước sóng sẽ làm lệch hướng đường truyền Các vật cản như là các đám mây đá, đồi núi nhấp nhô hay các cao ốc

Trong quá trình nhiễu xạ năng lượng bức xạ bị tổn hao do bị vật cản hấp thụ Tổn hao bắt đầu xuất hiện ở dải sóng trung và tăng nhanh tỉ lệ thuận theo tần số (hay giảm theo độ dài bước sóng)

Bởi vậy hiện tượng nhiễu xạ xảy ra ở dải sóng dài và phần cuối dải sóng trung, mà không có truyền lan bằng nhiễu xạ ở dải sóng ngắn Ở dải sóng cực ngắn thì hiện tượng nhiễu xạ lại xuất hiện trên đường truyền nhưng lại bị suy giảm mạnh theo cự ly

- Sóng khúc xạ (refraction): sẽ làm cong quĩ đạo truyền sóng khi sóng truyền từ lớp này qua lớp khác với tốc độ khác nhau Ví dụ: từ không khí với đất hay với nước; hoặc truyền từ lớp thấp của tầng điện ly đến tầng đối lưu Mặt khác còn do tính không đồng nhất của lớp không khí nên làm thay đổi tốc độ truyền từ điểm này đến điểm kia

Hiện tượng khúc xạ bị phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí tượng Nó tham gia vào quá trình truyền lan gần như ở tất cả các dải sóng Radio Tuy nhiên có tác dụng rõ rệt nhất là ở dải sóng ngắn

- Sóng tán xạ (dicpersion): ở tầng đối lưu sẽ làm thay đổi phương truyền sóng một khoảng cách không định hướng bắt đầu từ sự không đồng nhất của dòng không khí ở lớp trên di chuyển xuống lớp dưới do nhiệt độ khác nhau

Sự không đồng nhất của nhiệt độ, áp suất và độ ẩm biến đổi theo dạng xoáy luôn luôn xảy ra ở tầng đối lưu giữa lớp này với lớp kế bên sẽ làm cho tốc độ truyền sóng ở phần này hay phần kia luôn thay đổi bập bềnh

Truyền lan bằng sóng tán xạ chỉ xảy ra ở dải tần sóng cực ngắn Tổn hao lớn trên đường truyền quá tầm nhìn, làm méo dạng sóng do các sóng tới điểm thu

có pha khác nhau và cũng có vùng lặn sóng

Dải sóng Radio truyền lan được xa phần lớn nhờ phản xạ (reflection) ở tầng điện ly mà chủ yếu bằng sóng khúc xạ (refraction) Tốc độ truyền qua mỗi mặt sóng ở tầng ion (Vi) khác với tốc độ truyền lan trong không khí thông thường;

nó phụ thuộc vào độ tập trung của điện tử N (hay là mật độ) và tần số truyền sóng

f, theo quan hệ:

n c

f

N k

C V

i

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

=

2 1 2

1

Trong đĩ:

ki : là hằng số nhân hay cịn gọi là nhân tử

c : là tốc độ ánh sáng c = 3.108 m/s Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn thì giá trị n(1,0003 Cũng

do hiện tượng phản xạ và qua nhiều bước sĩng nhảy nên nhiều phần tử sĩng đến điểm thu theo nhiều hướng với độ dài khác nhau, pha giữa chúng khác nhau sẽ gây hiện tượng giao thoa Nếu cĩ nhiều bước sĩng đồng pha tại điểm thu thì mức tín hiệu được tăng cường, cịn khác pha thì mức tín hiệu bị giảm nhỏ Người ta gọi đĩ

là hiện tượng pha đinh Thời gian làm suy giảm tín hiệu đến mức khơng cịn nghe được kéo dài từ 1/10 giây đến hàng chục giây hay lớn hơn Nếu thời gian pha đinh (fading) dưới 5 phút gọi là pha đinh nhanh, thường nghe thấy ở dải sĩng ngắn phát thanh và VHF Cịn thời gian pha đinh lớn hơn 5 giây gọi là pha đinh chậm, lấy giá trị trung bình trong ngày đêm Hiện tượng pha đinh thường xuất hiện vào ban đêm và sáng sớm, ít thấy vào ban ngày

3 Truyền lan sĩng cực ngắn:

Sĩng cực ngắn truyền lan chủ yếu trên mặt phẳng sĩng của tầng đối lưu ở băng tần VHF và UHF Với bước sĩng lớn hơn 5m thì sự truyền lan chủ yếu bằng tầng điện ly

Dải tần của nĩ từ 30MHz ( 300000MHz, tương ứng với bước sĩng từ 1mm ( 10m Để thuận tiện trong việc khai thác, ngưới ta chia dải sĩng này thành hai băng tần

- Băng tần VHF cĩ dải tần từ 30 MHz đến 300MHz thường dành cho làn sĩng truyền hình

- Băng tần UHF cĩ dải tần từ 470MHz đến 900MHz được dùng cho băng tần cao của truyền hình, cịn ở bước sĩng nhỏ hơn thì chủ yếu dùng cho thơng tin chuyển tiếp như viba (microwave)

Sĩng cực ngắn cĩ thể lan truyền trực tiếp trong tầm nhìn sau:

h1

h2

h1

D1

D2

Cự ly nhìn

Mặt đất

* Hình thể hiện: cự ly trong tầm nhìn, không có và có khúc xạ Nhưng nó

dễ bị hấp thụ ở mặt đất cùng các vật cản trên đường truyền như rừng rậm, đồi núi, cao ốc, hạt mưa và dễ bị đổi hướng truyền qua các khe núi, vách đá Hiện tượng nhiễu xạ theo phương truyền là không đáng kể so với truyền trực tiếp

Như vậy, sóng cực ngắn truyền lan xa hơn tầm nhìn là nhờ sóng khúc xạ

và tán xạ ở tầng đối lưu Cự li truyền lan ở trong tầm nhìn như vậy thì chỉ cần máy phát sóng có công suất từ vài watts đến chục watts; với máy thu có độ nhạy không cao lắm (vào khoảng 0,3mV) là thu được tốt và ổn định Nếu cự ly giữa điểm thu

và phát cách nhau không xa lắm thì có thể dùng công thức sau để tính:

Trong đó Dd : là cự ly trong tầm nhìn thẳng (km,m)

hp : là chiều cao anten phát (m)

ht : là chiều cao anten thu (m) Trong trường hợp có tính đến khúc xạ (ở mức xa hơn tầm nhìn) thì cự ly được kéo dài thêm (Dr), và được tính theo cơng thức:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

= , p t'

Trong đó: Dr : là cự ly có tính đến sóng khúc xạ (km,m)

ĉ : là chiều cao anten thu (m) để nhận sóng khúc xạ Nếu cự ly từ điểm thu đến trung tâm phát ngắn hơn cự ly của tầm nhìn (D

< Dd ), và khi đã thỏa mãn điều kiện ht hp < D( /18 thì công thức tính cường độ điện trường tại điểm thu như sau:

2

18 2

D

PG h h

λ

,

= Trong đó:

P: là công suất máy phát [W, KW] cung cấp cho anten phát

G: là độ lợi anten [lần]

(: là độ dài bước sóng [m]

Eef : là cường độ trường hiệu dụng tại điểm thu [mV/m]

D: là cự ly [m,km]

II CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN- FIĐƠ:

Anten và đường dây phiđơ là hai phần tử đặc biệt quan trọng để đưa năng lượng điện trường từ máy phát bức xạ ra không gian Đường dây phiđơ được nối

từ ngõ ra máy phát đến ngõ vào anten Nó làm nhiệm vụ truyền năng lượng và

phối hợp trở kháng giữa máy phát và anten Nếu sự phối hợp trở kháng không đúng thì sẽ phát sinh sóng đứng làm tổn hao năng lượng, giảm hiệu suất và còn gây méo dạng sóng truyền

1 Các đặc tính của anten:

a Hiệu suất anten: được biểu thị bằng tỉ số giữa công suất do anten bức xạ với công suất cung cấp cho anten (bao gồm công suất bức xạ và công suất tổn hao) qua công thức:

th p P

P

+

=

∑

∑

η

Công suất tổn hao (Pth) có thể do sự phối hợp trở kháng giữa dây phiđơ và anten chưa phù hợp, do cấu trúc anten có trở kháng bức xạ chưa thích hợp với bước sóng, do độ dẫn điện ở mặt đất xung quanh anten xấu, đặc biệt là anten trụ dùng cho sóng trung, sóng ngắn

Để tăng cường độ dẫn điện ở phạm vi quanh anten trụ, người ta đã chôn ở

độ sâu từ 0,3m - 0,5m các tấm đồng lá hoặc các dây đồng có đường kính ( = 0,3mm - 0,5mm theo hình rẽ quạt kéo dài từ chân trụ anten trở ra với độ dài ít nhất phải bằng 1/2 bước sóng

b Điện trở bức xạ: R( biểu thị quan hệ giữa công suất bức xạ với dòng điện chạy qua một điểm bất kỳ của anten, được tính theo công thức:

2

A I

P

∑ =

Trong đó các đơn vị tính R( [(], P( [W], IA [A], thông thường điện trở bức

xạ được tính tại một điểm có giá trị cực đại hay một ngõ nối nào đó, ví dụ như tại ngõ vào

Điện trở bức xạ phụ thuộc vào kích thước anten so với độ dài bước sóng, vào hình dạng cấu trúc và một vài yếu tố khác của anten và được mô tả trên đặc tuyến sau:

0 0.4 0.8 1,4 1,2 1,6 2

40

80

120

140

200

240

Rz

1/λ