Anten gương parabol là loại anten phổ biến nhất trong đời sống hiện nay, được sử dụng 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 parabol, mặt phản xạ đảm bảo cơ chế hội tụ để tập trung năng lượng theo một phương cho trước và một bộ chiếu xạ đặt tại tiêu điểm F của gương, thực chất là một anten sơ cấp. Anten parabol có ưu thế so với các loại anten khác nhờ vào khả năng truyền sóng xa và tập trung trong một phạm vi hẹp.
Mở đầu: Anten gương parabol loại anten phổ biến đời sống nay, sử dụng thông tin vi ba thông tin vệ tinh Cấu tạo anten bao gồm hai phận chủ yếu: Một mặt phản xạ (gương) tròn xoay có mặt cong theo đường cong parabol, mặt phản xạ đảm bảo chế hội tụ để tập trung lượng theo phương cho trước chiếu xạ đặt tiêu điểm F gương, thực chất anten sơ cấp Anten parabol có ưu so với loại anten khác nhờ vào khả truyền sóng xa tập trung phạm vi hẹp Lịch sử Ý tưởng sử dụng gương phản xạ parabol cho ăng ten vô tuyến lấy từ quang học, với ý nghĩ sử dụng gương parabol để tập trung ánh sáng thành chùm tia có từ thời xa xưa Nhà Vật lí người Đức Heinrich Hertz xây dựng mơ hình anten phản xạ parabol giới vào năm 1888 Qua đó, với thiết bị sử dụng để truyền tín hiệu thiết bị khác để nhận, Hertz chứng minh tồn sóng vơ tuyến James Clerk Maxwell tiên đốn trước 22 năm Tuy nhiên vào thời điểm đó, đài phát giới hạn tần số thấp mà ăng ten hình parabol khơng phù hợp Anten parabol lớn đầu tiên, rộng 9m, tạo vào năm 1937 nhà thiên văn vô tuyến Grote Reber Cuộc khảo sát bầu trời mà ông thực với thiết bị kiện thành lập lĩnh vực thiên văn vô tuyến Anten parabol không sử dụng rộng rãi sau Thế chiến 2, tần số vi sóng bắt đầu bị khai thác Sự phát triển radar Chiến tranh giới II tạo động lực lớn cho nghiên cứu anten hình parabol Sau chiến tranh, anten parabol lớn chế tạo để làm kính thiên văn vơ tuyến Kính thiên văn Radio Green Bank rộng 100 mét Green Bank, West Virginia, phiên hoàn thành vào năm 1962, anten parabol lớn giới Trong năm 1960, anten parabol sử dụng rộng rãi mạng truyền thơng vi sóng tiếp đất, mang gọi điện thoại chương trình truyền hình qua lục địa Anten parabol sử dụng cho truyền thông vệ tinh xây dựng vào năm 1962 Goonhilly Cornwall, Anh để liên lạc với vệ tinh Telstar Từ năm 1970, xuất công cụ thiết kế máy tính mang lại khả tính tốn mẫu xạ cho ăng ten parabol Điều dẫn đến phát triển thiết kế anten phức tạp Cho đến nay, với xuất nhiều công nghệ anten, anten parabol sử dụng rộng rãi, đặc biệt lĩnh vực hàng không, vũ trụ Nguyên lý làm việc: Dựa nguyên lý gương quang học Xét gương có dạng parabol hình vẽ với tiêu điểm F đỉnh O Trục đường thẳng qua F O, tiêu cự đoạn FO Giả sử đặt chiếu xạ tiêu điểm F gương, ta ln có tất tia phát từ chiếu xạ đến mặt gương, phản xạ mặt gương đến miệng gương có quãng đường nhau, đồng thời chúng song song với (Như hình vẽ ta có FO + OO’ = FA + AB= Const) Với phát xạ phát sóng điện từ, tia sóng có qng đường dài nên sóng phát từ tiêu điểm có phân bố đồng pha; tia song song có nghĩa mặt sóng mặt phẳng Như sóng phát từ mặt phản xạ parabol sóng phẳng, có lượng tập trung không gian hẹp tính hướng mong muốn Cấu tạo: Một anten parabol điển hình bao gồm phận mặt phản xạ chiếu xạ (thực chất anten), làm việc theo nguyên tắc chiếu xạ phát sóng điện từ đến mặt gương phản xạ bên Mặt phản xạ: Thường làm kim loại với hệ số phản xạ cao Hình dạng kim loại lưới kim loại có mặt uốn cong hình parabol Có tác dụng biến đổi sóng sơ cấp từ chiếu xạ thành sóng thứ cấp truyền bên ngồi, giúp tập trung lượng sóng theo hướng mong muốn Bộ chiếu xạ: Là anten có kích thước nhỏ, độ lợi tính hướng anten dipole nửa bước sóng anten loa Bộ chiếu xạ đặt tiêu điểm mặt parabol, cố định đỡ, phát sóng điện từ hướng đến mặt parabol Các tham số anten Độ lợi hệ số hướng tính: Cơng thức: - Hệ số hướng tính: 4𝜋𝑆 𝜋𝑑 𝐷= =( ) 𝜆 𝜆 𝐷(𝑑𝐵𝑖) = 20𝑙𝑔𝑑(𝑚) + 20𝑙𝑔𝑓(𝐺𝐻𝑧) + 20,4 - Độ lợi: 4𝜋𝑆𝜂 𝜋𝑑 𝐺= =( ) 𝜂 𝜆 𝜆 𝐷(𝑑𝐵𝑖) = 20𝑙𝑔𝑑(𝑚) + 20𝑙𝑔𝑓(𝐺𝐻𝑧) + 10𝑙𝑔𝜂 + 20,4 Trong đó: d: Đường kính miệng gương (m) 𝜆: Bước sóng cơng tác (m) 𝜂: Hiệu suất làm việc anten (xấp xỉ 55 -70%) 𝜋𝑑2 S: Diện tích thực miệng anten (S= ) Nhận xét: - Từ công thức dễ thấy anten có đường kính miệng gương lớn so với bước sóng cơng tác độ lợi cao Chính anten parabol chun dụng thường có kích thước lớn làm việc với sóng điện từ có tần số cao (bước sóng ngắn) - Hiệu suất anten thường đạt 55-70% nguyên nhân: • Do mặt gương không phẳng tuyệt đối nên phần lượng từ chiếu xạ bị hấp thụ gương bị tán xạ xung quanh • Bộ chiếu xạ gương giá đỡ che chắn phần miệng gương tạo nên vùng tối trước mặt gương 2 Đồ thị định hướng: Nhận xét: Ngoài búp sóng có trục trùng với trục mặt phản xạ parabol có búp sóng phụ búp sóng ngược do: - Một phần lượng bị tán xạ theo hướng không mong muốn - Bộ chiếu xạ xạ phần lượng tràn mép gương phản xạ, truyền theo hướng ngược lại Độ rộng bước sóng phụ thuộc vào bước sóng cơng tác đường kính mặt phản xạ xác định công thức: 𝜃3𝑑𝐵 = 2𝜃1 = 70𝜆 𝑑 Có thể thấy tăng tần số hoạt động kích thước anten ngồi để tăng độ lợi giúp giảm độ rộng búp sóng Thực tế góc 𝜃3𝑑𝐵 ln nhỏ Cơng thức liên hệ độ rộng búp sóng độ lợi 𝜋𝑘 𝐺 = (𝜃 3𝑑𝐵 ) 𝜂 Tần số công tác băng thông Như đề cập trên, nhằm mục đích tập trung lượng theo góc hẹp gia tăng khả truyền xa, anten parabol thích hợp làm việc với sóng điện từ có tần số cao, cụ thể UHF (Tần số cực cao: 300 MHz - GHz) SHF (Tần số siêu cao: – 30 GHz) Dải tần anten phụ thuộc vào kích thước mặt parabol Những anten thơng thường kích thước nhỏ có dải tần hẹp Dải tần mở rộng nhiều anten chuyên dụng có kích thước khổng lồ Anten “big dish” đại học Stanford với dải tần 150Mhz – 1.5Ghz Một số cải tiến anten parabol Anten Cassegrain Gồm gương phản xạ parabol tròn xoay (gương chính) gương phản xạ hyperbol (gương phụ) chiếu xạ anten loa Gương phụ có tiêu điểm: trùng với tiêu điểm gương trùng tâm pha chiếu xạ Bộ chiếu xạ bố trí cho tâm đặt đỉnh parabol Tương tự anten parabol thơng thường, sóng phát từ chiếu, phản xạ thứ gương phụ Hypebol, phản xạ lần thứ hai gương parabol trở thành tia sóng song song với nhau, có đoạn đường đến miệng gương số trở thành sóng phẳng Anten Cassegrain mang ưu điểm chiếu xạ đặt đỉnh gương nên giá đỡ đơn giản hơn, thuận lợi cho việc cấp điện, tổn hao tạp âm đường truyền thấp hơn, qua tính hướng cao độ rộng búp sóng nhỏ Anten Cassegrain sử dụng phổ biến cho trạm mặt đất thơng thường với anten có kích thước trung bình lớn Anten góc lệch Các anten gương parabol anten hai gương Cassegrain có nhược điểm chung chiếu xạ hay gương phụ đặt thẳng hàng với đỉnh gương làm chắn phận tia sóng phản xạ từ gương parabol gây “miền tối” phía sau gương làm giảm hệ số tăng ích, hiệu suất tăng búp phụ Để khắc phục nhược điểm người ta sử dụng anten lệch nghĩa chiếu xạ đặt lệch hướng tia phản xạ từ gương parabol anten parabol lệch anten Cassegrain lệch Các anten lệch (offset antenna) 3.Anten Gregorian Nguyên lý tương tự Cassegrain sử dụng gương phụ elip thay vi hypebol Gương phụ đặt lệch để tránh che tối Ứng dụng Với tính hướng cao phạm vi xạ hẹp anten parabol thường sử dụng truyền thông điểm – điểm (point to point) radar • Truyền hình vệ tinh • Liên kết vi sóng (Liên kết sở hạ tầng viễn thơng, truyền tín hiệu điện thoại, truyền hinh, internet khu vực lớn thành phố, quốc gia) • Truyền thơng vệ tinh (Anten điều khiển vệ tinh Vinasat 1) • Thiên văn vơ tuyến • Hệ thống radar (Trong qn sự, dự báo thời tiết…) ... hướng anten dipole nửa bước sóng anten loa Bộ chiếu xạ đặt tiêu điểm mặt parabol, cố định đỡ, phát sóng điện từ hướng đến mặt parabol Các tham số anten Độ lợi hệ số hướng tính: Cơng thức: - Hệ... nghĩa chiếu xạ đặt lệch hướng tia phản xạ từ gương parabol anten parabol lệch anten Cassegrain lệch Các anten lệch (offset antenna) 3 .Anten Gregorian Nguyên lý tương tự Cassegrain sử dụng gương... xa, anten parabol thích hợp làm việc với sóng điện từ có tần số cao, cụ thể UHF (Tần số cực cao: 300 MHz - GHz) SHF (Tần số siêu cao: – 30 GHz) Dải tần anten phụ thuộc vào kích thước mặt parabol