Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ tinh

Thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ tinh Nội dung bài báo cáo gồm 4 chương: Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten Chương 2: Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh Chương 3: Anten vi dải Chương 4: Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten vi dải

Mục lục

Lời nói đầu 2

Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten 3

1.1 Giới thiệu về anten 3

1.2 Sự bức xạ sóng điện từ 4

1.3 Các tham số cơ bản của anten 5

Chương 2: Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh 13

2.1 Phân cực sóng 13

2.2 Các anten loa 15

2.3 Anten parabol 17

2.4 Các anten với bộ phản xạ kép 19

2.5 Anten dàn 19

Chương 3: Anten vi dải 21

3.1 Giới thiệu 21

3.2 Đặc tính của anten vi dải 21

3.3 Ưu nhược điểm của anten vi dải 23

3.4 Các kĩ thuật cấp nguồn cho anten vi dải 23

3.5 Nguyên lý bức xạ của anten vi dải 24

3.6 Các mô hình phân tích anten vi dải 26

Chương 4: Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten vi dải 29

4.1 Thiết kế một patch anten vi dải 29

4.2 Mô phỏng 31

Kết luận 34

Tài liệu tham khảo 35

Lời nói đầu

Các hệ thống thông tin vệ tinh được phát triển nhanh chóng trong các thập kỉ gầnđây Qua các hệ thống thông tin vệ tinh, con người có thể thu nhận hoặc trao đổi thôngtin với bất kì nơi nào trên quả đất Thông tin vệ tinh có khả năng đa dạng dịch vụ, khôngnhững khai thác dịch vụ dân sự mà cả các dịch vụ phục vụ quốc phòng, an ninh, hàngkhông, hàng hải, khai thác thăm dò địa chất,v.v… Ngày nay, các hệ thống, các mạngthông tin vệ tinh đang được kết nối với mạng cố định và di động mặt đất làm cho khảnăng truyền thông ngày càng phong phú

Một trong những phân hệ quan trọng nhất trên vệ tinh, đó là phân hệ anten Cácanten trên vệ tinh thực hiện chức năng kép: thu đường lên và phát đường xuống Nguyên

lý hoạt động của anten trong các hệ thống viễn thông nói chung không có gì khác nhau.Phụ thuộc vào các yêu cầu phát và thu sóng cụ thể mà có sự lựa chọn thiết kế thích hợp.Dải tần công tác của thông tin vệ tinh là thuộc sóng siêu cao, do đó, tất cả các loại antensóng siêu cao về nguyên lý có thể sử dụng trong thông tin vệ tinh Các loại anten thườngđược sử dụng trên vệ tinh thường gặp là dạng khe bức xạ (loa), anten có mặt phản xạ,anten thấu kính hoặc anten dàn

Với yêu cầu “thiết kế, mô phỏng (và chế tạo) anten băng C (4 – 6 GHz) trên vệ

tinh”, ở đây em lựa chọn thiết kế anten vi dải với tấn số trung tâm là 5 GHz Phần mềm

sử dụng để thiết kế là CST Microwave Studio Nội dung bài báo cáo gồm 4 chương:

- Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten

- Chương 2: Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh

- Chương 3: Anten vi dải

- Chương 4: Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten vi dải

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vũ Văn Yêm đã định hướng cho em hoànthành bài tập lớn này bằng kiến thức và bài giảng trên lớp của thầy Tuy nhiên, bài báocáo và bài tập của em không tránh khỏi những sai xót, khuyết thiếu Em mong nhậnđược sự đóng góp của thầy để bài tập trở lên hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện

Lê Trung Kiên

Chương 1: Lý thuyết cơ bản về anten

1.1 Giới thiệu về anten

Anten là một hệ thống cấu trúc có khả năng bức xạ và thu nhận các sóng điện từ.Anten là thiết bị không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin vô tuyến điện, bởi vìthông tin vô tuyến sử dụng sóng điện từ bức xạ ra không gian để truyền lan từ nơi phátđến nơi thu Một hệ thống truyền dẫn vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu,anten phát và anten thu (hình 1.1)

Hình 1.1 Hệ thống truyền tin đơn giản

Ở nơi phát, sóng điện từ cao tần được truyền dẫn từ máy phát đến anten thông qua

hệ thống feeder dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiện vụ biến đổi sóngđiện từ ràng buộc trong feeder thành sóng từ tự do bức xạ ra không gian Cấu tạo củaanten quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên Tại nơi thu, anten thu làmnhiệm vụ ngược lại với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gianbên ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này sẽ được truyền theofeeder tới máy thu

Yêu cầu của thiết bị anten – feeder là phải thực hiện việc truyền và biến đổi nănglượng sóng điện từ với hiệu suất cao nhất và không gây méo dạng tín hiệu

Anten sử dụng trong các hệ thống thông tin khác nhau phải có những yêu cầu khácnhau Trong các hệ thống thông tin quảng bá như phát thanh, truyền hình, thì yêu cầuanten phải có bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất) để cho mọi hướng đều

có thể thu được tín hiệu của đài phát Nhưng trong mặt phẳng thẳng đứng anten lại phải

có bức xạ định hướng sao cho hướng cực đại trong mặt phẳng này song song với mặtđất, để máy thu thu được tín hiệu lớn nhất và giảm được năng lượng bức xạ hướngkhông cần thiết, giảm được công suất máy phát, giảm được can nhiễu Tuy nhiên, trongcác hệ thống thông tin vô tuyến điểm tới điểm như hệ thống thông tin vi ba, thông tin vệtinh, rađa yêu cầu anten anten bức xạ với tính hướng cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tậptrung vào một góc rất hẹp trong không gian

Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ đơn thuần là chuyển đổi sóng điện từ ràngbuộc thành sóng điện từ tự do và ngược lại mà phải bức xạ sóng điện từ theo nhữnghướng nhất định với các yêu cầu kỹ thuật đề ra

1.2 Sự bức xạ sóng điện từ

Về nguyên lý, bất kỳ một hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc

từ trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ Tuy nhiên trong thực tế, sự bức xạ chỉxảy ra trong những điều kiện nhất định

Hình 1.2 Quá trình bức xạ sóng điện từ

Ví dụ xét một mạch dao động L, C như chỉ ra trong hình 1.2, nếu đặt vào một sứcđiện động biến đổi thì giữa hai má tụ sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn không gian

trong lòng cuộn dây sẽ phát sinh từ trường biến thiên Nhưng trường điện từ này hầunhư không bức xạ ra bên ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử của mạch Dòng điệndịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong khoảng không gian giữa hai má tụ,nên năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy Còn năng lượng từtrường tập trung chủ yếu trong lòng cuộn dây Năng lượng của toàn bộ hệ thống sẽ đượcbảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong dây dẫn của cuộn cảm và tổn hao trong chấtđiện môi trong tụ điện.

Nếu mở rộng khoảng cách giữa hai má tụ điện như chỉ trong hình 1.2b thì dòng điệndịch được biểu thị trùng với đường sức điện trường, sẽ không dịch chuyển trong khoảngkhông gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽ lan toả ra môi trường bên ngoài và cóthể truyền tới những điểm khá xa nguồn (nguồn sinh ra điện trường chính là các điệntích trên hai má tụ điện) Tiếp tục mở rộng khoảng cách giữa hai má tụ điện như hình1.2c thì dòng điện dịch sẽ lan toả càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độlớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài Điện trường biến thiên được truyền lan vớivận tốc ánh sáng Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng sẽ tự khép kín vàkhông bị ràng buộc bởi nguồn, nghĩa là không còn liên hệ với điện tích trên hai má tụđiện nữa Còn các đường sức ở gần tụ điện không tự khép mà bắt nguồn từ điện tíchdương trên má tụ và kết thúc ở má tụ có điện tích âm Do đó giá trị của điện trường ởnhững điểm nằm trên đường sức ấy sẽ biến thiên theo sự biến thiên của điện tích trên hai

má tụ điện Còn những điểm ở cách xa nguồn, ví dụ tại điểm M có thể đạt một giá trịnào đó trong lúc điện tích trên hai má tụ điện lại biến đổi qua giá trị không Các đườngsức tự khép kín, nghĩa là đã hình thành một điện trường xoáy Theo quy luật biến thiên(được biểu thị bởi các phương trình Maxwell) thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từtrường biến đổi, từ trường biến đổi lại tạo ra một điện trường xoáy, nghĩa là hình thànhquá trình truyền lan sóng điện từ

Trường điện từ thoát khỏi sự ràng buộc của nguồn, tự nó khép kín gọi là trường điện

từ tự do, năng lượng của trường điện từ này gọi là năng lượng bức xạ Phần năng lượngnày là năng lượng có ích và được sử dụng cho thông tin vô tuyến

Trường điện từ bị ràng buộc bởi nguồn gọi là trường điện từ ràng buộc Năng lượngcủa trường điện từ này gọi là năng lượng vô công

Vậy một thiết bị bức xạ điện từ là thiết bị trong đó điện trường hoặc từ trường biếnthiên có khả năng thâm nhập

1.3 Các tham số cơ bản của anten

Để đánh giá, lựa chọn hoặc sử dụng tốt một anten phải dựa trên những đặc tính vàtham số của nó Dưới đây là những đặc tính và tham số cơ bản của anten

 Hàm hướng tính

Khi sử dụng anten ta cần biết anten đó bức xạ vô hướng hay có hướng, và ở hướngnào anten bức xạ là cực đại, hướng nào anten không bức xạ để có thể đặt đúng vị tríanten Muốn vậy ta phải biết hướng tính của anten đó Một trong các thông số đặc tảhướng tính của anten là hàm hướng tính

Hàm hướng tính là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ củaanten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi, được kýhiệu là f(θ,φ) )

Hàm tính hướng được thể hiện ở các dạng sau:

Trong trường hợp tổng quát, hàm hướng tính là hàm véc tơ phức, bao gồm các thànhphần theo θ và φ)

´f (θ , φ )=f θ (θ , φ ) ´i θ+f φ (θ , φ) ´i φ(1.1)

Hàm hướng tính biên độ là hàm số biểu thị quan hệ tương đối của biên độ cường độtrường bức xạ theo các hướng khảo sát khi cự ly khảo sát không đổi, đó chính là biên độcủa hàm hướng tính phức (cụ thểhơn là modun của hàm hướng tính phức)

|f (θ , φ)|=√ |f θ (θ , φ)|2+|f φ (θ , φ )|2(1.2)

Để đơn giản cho việc khảo sát hướng tính của một anten cũng như thiết lập và phântích đồ thị phương hướng ta thường dùng một hàm biên độ chuẩn hóa, là hàm số biểu thịbiên độ cường độ trường ở hướng khảo sát trên biên độ cường độ trường ở hướng cựcđại

F (θ , φ )= |f (θ , φ)|

|f (θ , φ) max|(1.3)

Như vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1

 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng

Hàm hướng tính cho biết giá trị cụ thể của tính hướng một anten, nhưng muốn cảmnhận được bằng trực thị hướng tính của một anten ta phải sử dụng đồ thị Đồ thị phươnghướng được vẽ bởi hàm hướng tính

Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặccông suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cốđịnh (tính từ anten) Đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian ba chiều (códạng hình khối) nhưng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ Thông thường, đồ thịphương hướng là một mặt cắt của đồ thị hướng tính ba chiều Đó là đồ thị hướng tính haichiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa độ vuông góc, loại đồ thị có thể hiển thị dễdàng trên giấy (hình 1.3)

Hình 1.3 Ví dụ đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ cực

Để đơn giản đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm hướng tính biên độ chuẩnhóa và được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa của anten Nó cho phép so sánh đồthị phương hướng của các anten khác nhau

Từ đồ thị phương hướng trên hình 1.3 nhận thấy rằng, giá trị trường bức xạ biến đổitheo sự biến đổi của các góc phương hướng khác nhau Vì vậy để đánh giá dạng của đồthị phương hướng của các anten khác nhau ta sử dụng khái niệm độ rộng của đồ thịphương hướng hay còn gọi là độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng được xác định bởigóc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm

đi một giá trị nhất định Có nhiều cách đánh giá độ rộng búp sóng, thường thì độ rộngbúp sóng nửa công suất được sử dụng Độ rộng búp sóng nửa công suất là góc giữa haihướng mà theo hai hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạcực đại Nếu tính theo giá trị của cường độ điện trường thì độ rộng búp sóng này ứng vớigóc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó cường độ điện trường giảm đi 2 lần so với giátrị cực đại của anten trong tọa độ cực

Nếu tính theo đơn vị decibel (dB), khi công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứng vớicông suất sẽ giảm 3 dB Bởi vậy độ rộng búp sóng nửa công suất còn được gọi là độrộng búp sóng 3 dB, ký hiệu là θ 3 dB(hình 1.4)

Hình 1.4 Độ rộng của đồ thị phương hướng

Như vậy độ rộng búp sóng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xạ theo mộthướng nào đó, nếu góc θ 3 dB càng bé thì anten đó tập trung công suất bức xạ càng mạnh

 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten

Công suất đặt vào anten P A do máy phát đưa trực tiếp đến anten hoặc thông thườngqua feeder cung cấp cho anten Trong quá trình chuyển đổi năng lượng cao tần từ máyphát thành năng lượng bức xạ sóng điện từ không thể tránh các tổn hao do nhiệt bởi vậtdẫn, chất điện môi của anten, và phần mất mát do cảm ứng và che chắn bởi các linh kiệnphụ như thanh đỡ bộ chiếu xạ, bản thân bộ chiếu xạ… Vì vậy, công suất là bao gồm cảcông suất tổn hao P th và công suất bức xạ P bx

P A=P bx+P th(1.4)

Một cách hình thức ta có thể coi công suất bức xạ của anten tương tự như công suấttiêu hao trên một điện trở tương đương R bx nào đó Khi ấy ta có thể viết

P A=I2(R bx+R th)(1.5)

Đại lượng R bx được gọi là điện trở bức xạ của anten, nó chỉ mang tính chất tượngtrưng và ở một mức độ nào đó có thể dùng để đánh giá khả năng bức xạ của anten Anten được coi là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan trọngđặc trưng của nó là hiệu suất làm việc Hiệu suất của anten, η A, chính là tỷ số giữa côngsuất bức xạ, P bx và công suất máy phát đưa vào anten, P A

 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích của anten

Anten có nhiều loại, kết cấu hình dáng và kích thước của chúng rất đa dạng Để biểuthị hướng tính của mỗi anten, ngoài các thông số về độ rộng búp sóng người ta đưa vào

hệ số hướng tính (còn gọi là hệ số phương hướng) và hệ số tăng ích (hay độ lợi) Các hệ

số đó cho phép đánh giá tính phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm

xa nào đó của trường bức xạ trên cơ sở các biểu thức hoặc đồ thị so sánh với anten lýtưởng (hoặc anten chuẩn) Như vậy việc so sánh các anten với nhau và lựa chọn loạianten thích hợp cho tuyến thông tin cần thiết trở nên dễ dàng

Anten lý tưởng là anten có hiệu suất làm việc 100% và năng lượng bức xạ sóng điện

từ đồng đều ở tất cả các hướng Anten lý tưởng được xem như nguồn bức xạ vô hướnghoặc một chấn tử đối xứng nửa bước sóng

- Hệ số hướng tính

Hệ số hướng tính của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạcủa anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng vớikhoảng cách không đổi, với điều kiện công suất bức xạ của hai anten là như nhau.

D (θ , φ)= S(θ , φ)

S0 (1.8)

Trong đó:

D (θ , φ) là hệ số hướng tính của anten khảo sát ở hướng (θ , φ) với khoảng cách r

S(θ , φ) và S0 là mật độ công suất bức xạ của anten khảo sát ở hướng (θ,φ) ), khoảngcách r và mật độ công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét

- Hệ số tăng ích của anten

Hệ số tăng ích của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ củaanten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng vớikhoảng cách không đổi, với điều kiện công suất đưa vào của 2 anten là như nhau vàanten chuẩn (anten vô hướng) có hiệu suất bằng 1

 Trở kháng vào của anten

Khi mắc anten vào máy phát hoặc máy thu trực tiếp hay qua feeder, anten sẽ trởthành tải của máy phát hoặc máy thu Trị số của tải này được đặc trưng bởi một đạilượng gọi là trở kháng vào của anten Trong trường hợp tổng quát, trở kháng vào là mộtđại lượng phức bao gồm cả phần thực và phần kháng, được xác định bằng tỷ số giữađiện áp đầu vào của anten và dòng điện đầu vào

 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Trong một số hệ thống thông tin vô tuyến, ví dụ trong thông tin vệ tinh, công suấtbức xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳnghướng tương đương, ký hiệu là EIRP Công suất này được định nghĩa:

EIRP=P T G T(1.11)

Trong đó P T là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và G T là hệ số khuếchđại của anten phát Chú ý rằng, nếu bỏ qua suy hao feeder nối từ máy phát đến anten thì

P A=P T

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương là công suất phát được bức xạ với anten

vô hướng, trong trường hợp này có thể coi G T=1

Biểu thức EIRP cũng có thể tính theo đơn vị decibel

EIRP (dBw)=P T ( dBw )+ G T (dBi )(1.12)

 Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng

Khi anten làm việc ở chế độ thu, công suất hay sức điện động cảm ứng lên anten sẽphụ thuộc vào năng lượng trường điện từ do phía phát tạo ra tại nơi đặt anten thu và khảnăng làm việc của anten thu Khả năng làm việc của anten thu được biểu thị bởi mộttham số gọi là diện tích hiệu dụng hoặc chiều dài hiệu dụng của anten Nếu anten làanten bức xạ mặt thì công suất thu được tại anten sẽ là tích của mật độ thông lượng côngsuất với diện tích hiệu dụng của anten thu

Diện tích hiệu dụng được xác định bởi biểu thức:

Trong đó A e là diện tích hiệu dụng của anten (m2)

G R là hệ số tăng ích của anten thu

λ là bước sóng công tác (m)

 Dải tần công tác

Dải tần công tác của anten là khoảng tần số làm việc của anten mà trong khoảng tần

số đó các thông số của anten không thay đổi hoặc thay đổi trong phạm vi cho phép Thường dải tần công tác của anten được phân làm bốn nhóm:

Chương 2: Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh

2.1 Phân cực sóng

Trong vùng trường xa của một anten phát, sóng điện từ có dạng sóng điện từngang (TEM) Vùng trường xa là vùng tại khoảng cách lớn hơn 2 D2

/λ so với anten,trong đó D là kích thức một chiều lớn nhất của anten còn λ là bước sóng Ký hiệu sóngTEM được cho ở hình 2.1, trong hình này ta có thể thấy cả hai trường ⃗H và ⃗E đều vuônggóc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng được ký hiệu là k⃗

Hình 2.1 Biểu đồ vecto đối với sóng điện từ ngang (TEM)

⃗E , ⃗ Hvà k⃗ là các vectơ tạo nên tập bàn tay phải tuân theo quy tắc vặn nút chai bàntay phải Nghĩa là khi ta nhìn theo phương truyền sóng k⃗, quay ⃗E sẽ đến ⃗H Sóng này sẽgiữ nguyên các thuộc tính hướng của tập bàn tay phải ngay cả khi bị phản xạ

Tại các khoảng cách xa hơn so với anten phát, là các khoảng cách thường gặptrong các hệ thống vô tuyến, có thể coi sóng TEM là phẳng Điều này có nghĩa là cácvectơ ⃗E và ⃗H nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng k⃗ Vectơ k⃗ đượccoi là vuông góc với mặt phẳng này Quan hệ giữa các đại lượng E và H là : E=H Z w,trong đó Z w=120 π Ôm

Phương của đường do đầu mút của trường điện vẽ lên sẽ xác định phân cực sóng.Trường điện và trường từ là các hàm thay đổi theo thời gian Trường từ thay đổi đồngpha với trường điện và biên độ của nó tỷ lệ với biên độ của trường điện, vì thế ta chỉ cầnxét trường điện Đầu mút của vectơ ⃗E có thể vẽ lên một đường thẳng, trong trường hợp

này ta có phân cực tuyến tính Các dạng phân cực khác như phân cực elip và tròn sẽđược xét phần dưới

Hầu hết truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, trong đó phân cực đứngđược gọi là phân cực trong đó trường điện vuông góc với mặt đất và phân cực ngangđược gọi là phân cực trong đó trường điện song song với mặt đất Mặc dù các thuật ngữphân cực đứng và ngang này cũng được sử dụng trong thông tin vệ tinh nhưng nó khônghoàn toàn rõ ràng như trên Một sóng phân cực tuyến tính được phát đi từ vệ tinh địatĩnh có thể được ký hiệu là đứng nếu trường điện của nó song song với trục cực của tráiđất nhưng thậm chí như vậy trường điện của nó vẫn song song với quả đất tại xích đạo

Giả thiết rằng phương ngang và đứng được coi là trục x và y Trường điện phâncực đứng có thể được trình bày như sau:

α=arc tan E y

E x(2.3)

Bây giờ ta đi xét trường hợp trong đó hai trường có biên độ bằng nhau (ký hiệu làE) nhưng một trường nhanh pha hơn 90o Các phương trình thể hiện chúng trong trườnghợp này như sau:

⃗E y=^a y E sin ωtt (2.4)

⃗E x=^a x E sin ωtt (2.5)

Áp dụng phương trình (2.3) cho trường hợp này ta được α=ωt Biên độ vectơ tổngt Biên độ vectơ tổng

là E Đầu mút của vectơ trường điện vẽ lên đường tròn và sóng tổng hợp được gọi làphân cực tròn Hướng của phân cực tròn được định nghĩa bởi phương quay của vectơđiện nhưng điều này đòi hỏi ta phải quan sát cả chiều quay của vectơ Theo định nghĩacủa IEEE thì phân cực tròn tay phải (RHC: right-hand circular) là phân cực quay theochiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng, còn phân cực tròn tay trái(LHC: left-hand circular) là phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theophương truyền sóng Các phân cực LHC và RHC trực giao với nhau Phương truyềnsóng dọc theo trục z dương

Trong trường hợp tổng quát hơn sóng điện từ có thể có phân cực elip Điều nàyxảy ra khi hai thành phần tuyến tính là:

E y=^a y E y sin ωtt (2.6)

E x=^a x E x cos(ωtt+δ)(2.7)

Tỷ số sóng phân cực elip là tỷ số giữa trục chính và trục phụ của elip Phân cựcelip trực giao xảy ra khi một sóng có cùng tỷ số phân cực nhưng phương quay ngượcchiều

Các đường truyền thông tin vệ tinh sửdụng phân cực tuyến tính và phân cực tròn,nhưng sự giảm cấp truyền dẫn có thể làm thay đổi phân cực này thành phân cực elip

2.2 Các anten loa

Hình 2.2 Các anten loa a) Nón vách nhẵn b) Vách gấp nếp c) Hình pyramid

Anten loa là môt thí dụ về anten mặt mở với sự chuyển đổi từ từ ống dẫn sóngvào mặt mở lớn hơn để ghép hiệu quả với không gian Các anten loa được sử dụng trựctiếp làm các bộ phát xạ trên vệ tinh để chiếu xạ cho các vùng rộng lớn của quả đất vàchúng cũng được sử dụng rộng rãi làm các chiếu xạ tiếp sóng cho các anten phản xạ cả ởchế độ phát lẫn chế độ thu Ba kiểu được sử dụng rộng rãi nhất của các anten loa đượccho ở hình 2.2

 Các anten loa hình nón

Anten nón vách nhẵn được cho ở hình 2.2a Thuật ngữ vách nhẵn để nóí về vách bêntrong anten Loa có thể được tiếp sóng từ ống dẫn sóng chữ nhật nhưng khi này cần bộchuyển đổi từ chữ nhật vào tròn tại nơi nối Phương pháp được ưa dùng hơn cả là tiếpsóng trực tiếp bằng ống dẫn sóng tròn với ống dẫn sóng làm việc ở chế độ TE11 Antenloa hình nón có thể được sử dụng với phân cực tuyến tính hay phân cực tròn nhưng ởđây ta chỉ xét phân cực tuyến tính

Phân bố điện trường tại miệng mở của loa được vẽ ở hình 2.3a cho phân cực đứng.Các đường sức cong có thể được phân thành các thành phần thẳng đứng và nằm ngangnhư trên hình vẽ Sóng TEM tại vùng trường xa có phân cực tuyến tính, nhưng các thànhphần ngang của trường ở mặt mở anten sẽ dẫn đến các sóng phân cực vuông góc tạivùng trường xa Do tính đối xứng, các sóng phân cực vuông góc loại trừ nhau trong cácmặt chính (các mặt E và H); tuy nhiên chúng tạo ra bốn đỉnh: mỗi đỉnh nằm trong gócphần tư xung quanh búp chính

Hình 2.3 Trường ở mặt mở trong anten loa hình nón: a) vách nhẵn b) thiết diện

giao thoa vách gấp nếp c) vách gấp nếp

Loa vách nhẵn không tạo ra búp chính đối xứng ngay cả khi bản thân nó đối xứng.Các mẫu phát xạ là các hàm phức tạp phụ thuộc vào kích thước của loa Không đối xứng

và phân cực vuông góc là nhược điểm của loa cho việc đảm bảo phủ toàn cầu

Loa vách gấp nếp cho phép khắc phục phần nào các nhược điểm nói trên Thiết diệncủa anten loa gấp nếp được cho ở hình 2.3b Trường điện tại góc mở của loa gấp nếpđược cho ở hình 2.3c

 Các anten loa pyramid

Anten loa pyramid (hình 2.4) được thiết kế trước hết cho phân cực tuyến tính Tổngquát nó có thiết diện ngang a×b và làm việc ở chế độ ống dẫn sóng TE10 Độ rộng búpcủa anten pyramid khác nhau ở mặt E và mặt H, nhưng có thể chọn kích thước mặt mở

để làm cho chúng bằng nhau Loa pyramid có thể làm việc ở chế độ phân cực đứng vàphân cực ngang đồng thời để được hai phân cực tuyến tính