Tiểu luận báo cáo anten parabol (parabolic antena)

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 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

Lịch sử

Ý tưởng sử dụng các gương phản xạ parabol cho ăng ten

vô tuyến đã được lấy từ quang học, với ý nghĩ sử dụng tấm gương

parabol để tập trung ánh sáng thành một chùm tia đã có từ thời

xa xưa

Nhà Vật lí người Đức Heinrich Hertz đã xây dựng mô hình

anten phản xạ parabol đầu tiên trên thế giới vào năm 1888 Qua

đó, với một thiết bị được sử dụng để truyền tín hiệu và một thiết

bị khác để nhận, Hertz chứng minh sự tồn tại của sóng vô

tuyến đã được James Clerk Maxwell tiên đoán trước đó 22

năm Tuy nhiên vào thời điểm đó, đài phát thanh được giới hạn ở

các tần số thấp hơn mà tại đó các ăng ten hình parabol không phù

hợp

Anten parabol lớn đầu tiên, rộng 9m, được tạo ra vào năm

1937 bởi nhà thiên văn vô tuyến Grote Reber Cuộc khảo sát bầu

trời mà ông đã thực hiện với thiết bị này là một trong những sự

kiện thành lập lĩnh vực thiên văn vô tuyến

Anten parabol không được sử dụng rộng rãi cho đến sau

Thế chiến 2, khi tần số vi sóng bắt đầu bị khai thác Sự phát triển

của radar trong Chiến tranh thế giới II đã tạo ra một động lực lớn

cho nghiên cứu anten hình parabol

Sau chiến tranh, các anten parabol lớn được chế tạo để

làm kính thiên văn vô tuyến Kính thiên văn Radio Green

Bank rộng 100 mét ở Green Bank, West Virginia, phiên bản đầu

tiên được hoàn thành vào năm 1962, hiện là anten parabol lớn

nhất thế giới

Trong những năm 1960, anten parabol được sử dụng rộng rãi trong mạng truyền

thông vi sóng tiếp đất, mang các cuộc gọi điện thoại và các chương trình truyền hình qua các lục địa Anten parabol đầu tiên được sử dụng cho truyền thông vệ tinh được xây dựng vào năm

1962 tại Goonhilly ở Cornwall, Anh để liên lạc với vệ tinh Telstar

Từ những năm 1970, sự xuất hiện của các công cụ thiết kế máy tính đã mang lại khả năng tính toán mẫu bức xạ cho ăng ten parabol Điều này dẫn đến sự phát triển của các thiết kế anten mới cực kỳ phức tạp

Cho đến nay, với sự xuất hiện của rất nhiều công nghệ anten, anten parabol vẫn được

sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không, vũ trụ

Nguyên lý làm việc:

Dựa trên nguyên lý gương quang học

Xét một gương có dạng parabol như hình vẽ với tiêu điểm là F và đỉnh là O Trục là đường thẳng

đi qua F và O, tiêu cự là đoạn FO Giả sử đặt một bộ chiếu xạ tại tiêu điểm F của gương, ta luôn

có tất cả những tia phát ra từ bộ chiếu xạ đến mặt gương, phản xạ tại mặt gương và đến miệng gương đều có quãng đường là như nhau, đồng thời chúng song song với nhau (Như hình vẽ ta

có FO + OO’ = FA + AB= Const)

Với bộ phát xạ phát ra sóng điện từ, vì các tia sóng có quãng đường dài như nhau nên sóng phát

ra từ tiêu điểm sẽ có phân bố đồng pha; các tia song song có nghĩa mặt sóng là mặt phẳng Như vậy sóng phát ra từ mặt phản xạ của parabol là sóng phẳng, có năng lượng tập trung trong một không gian hẹp và tính hướng như mong muốn

Cấu tạo: Một anten parabol điển hình bao gồm 2 bộ phận chính là mặt phản xạ và bộ chiếu xạ (thực chất là một anten), làm việc theo nguyên tắc bộ chiếu xạ phát ra sóng điện từ đến mặt gương và phản xạ ra bên ngoài

1 Mặt phản xạ: Thường được làm bằng kim loại với hệ số phản xạ cao Hình dạng như một tấm kim loại hoặc lưới kim loại có mặt uốn cong như hình parabol Có tác dụng biến đổi sóng sơ cấp từ bộ chiếu xạ thành sóng thứ cấp truyền ra bên ngoài, giúp tập trung năng lượng sóng theo một hướng mong muốn

2 Bộ chiếu xạ: Là một anten có kích thước nhỏ, độ lợi và tính hướng kém như anten dipole nửa bước sóng hoặc anten loa Bộ chiếu xạ được đặt tại tiêu điểm của mặt parabol, cố định bởi bộ đỡ, phát ra sóng điện từ hướng đến mặt parabol

Các tham số của anten

1 Độ lợi và hệ số hướng tính:

Công thức:

- Hệ số hướng tính:

𝐷 = 4𝜋𝑆

𝜆2 = ( 𝜋𝑑

𝜆 )

2

𝐷(𝑑𝐵𝑖) = 20𝑙𝑔𝑑(𝑚)+ 20𝑙𝑔𝑓(𝐺𝐻𝑧)+ 20,4

- Độ lợi:

𝐺 = 4𝜋𝑆𝜂

𝜆2 = ( 𝜋𝑑

𝜆 )

2

𝜂

𝐷(𝑑𝐵𝑖) = 20𝑙𝑔𝑑(𝑚)+ 20𝑙𝑔𝑓(𝐺𝐻𝑧) + 10𝑙𝑔𝜂 + 20,4

Trong đó: d: Đường kính miệng gương (m)

𝜆: Bước sóng công tác (m)

𝜂: Hiệu suất làm việc anten (xấp xỉ 55 -70%) S: Diện tích thực miệng anten (S=𝜋𝑑

2

4 ) Nhận xét:

- Từ công thức trên dễ thấy anten có đường kính miệng gương càng lớn so với bước sóng công tác thì độ lợi càng cao Chính vì vậy anten parabol chuyên dụng thường có kích thước rất lớn và làm việc với sóng điện từ có tần số cao (bước sóng ngắn)

- Hiệu suất anten thường chỉ đạt 55-70% do các nguyên nhân:

• Do mặt gương không phẳng tuyệt đối nên một phần năng lượng từ bộ chiếu xạ bị hấp thụ bởi gương hoặc bị tán xạ ra xung quanh

• Bộ chiếu xạ ở giữa gương và giá đỡ che chắn một phần miệng gương tạo nên một vùng tối trước mặt gương

2 Đồ thị định hướng:

Nhận xét: Ngoài búp sóng chính có trục trùng với trục của mặt phản xạ parabol ra còn có các búp sóng phụ và búp sóng ngược do:

- Một phần năng lượng bị tán xạ theo hướng không mong muốn

- Bộ chiếu xạ bức xạ một phần năng lượng tràn ra ngoài mép gương phản xạ, truyền đi theo hướng ngược lại

Độ rộng bước sóng chính phụ thuộc vào bước sóng công tác và đường kính mặt phản xạ và được xác định bởi công thức:

2

=70𝜆

𝑑

Có thể thấy tăng tần số hoạt động và kích thước anten ngoài để tăng độ lợi như trên còn giúp giảm độ rộng búp sóng Thực tế góc 𝜃3𝑑𝐵 luôn rất nhỏ Công thức liên hệ giữa độ rộng búp sóng và độ lợi

𝐺 = (𝜃𝜋𝑘

3𝑑𝐵)2𝜂

3 Tần số công tác và băng thông

Như đã đề cập ở trên, nhằm mục đích tập trung năng lượng theo một góc hẹp và gia tăng khả năng truyền xa, anten parabol thích hợp nhất khi làm việc với sóng điện từ có tần số cao, cụ thể

là UHF (Tần số cực cao: 300 MHz - 3 GHz) và SHF (Tần số siêu cao: 3 – 30 GHz)

Dải tần của anten phụ thuộc vào kích thước mặt parabol Những anten thông thường kích thước nhỏ sẽ có dải tần hẹp Dải tần mở rộng hơn rất nhiều ở những anten chuyên dụng có kích thước khổng lồ

Anten “big dish” của đại học Stanford với dải tần 150Mhz – 1.5Ghz

Một số cải tiến của anten parabol

1 Anten Cassegrain

Gồm một gương phản xạ parabol tròn xoay (gương chính) và một gương phản xạ hyperbol (gương phụ) và bộ chiếu xạ là anten loa Gương phụ có 2 tiêu điểm: một trùng với tiêu điểm gương chính và một trùng tâm pha bộ chiếu xạ Bộ chiếu xạ được bố trí sao cho tâm đặt giữa đỉnh parabol.

Tương tự như anten parabol thông thường, sóng phát ra từ bộ chiếu, phản xạ làn thứ nhất tại gương phụ Hypebol, rồi phản xạ lần thứ hai tại gương chính parabol sẽ trở thành các tia sóng song song với nhau, có đoạn đường đi đến miệng gương là hằng số và trở thành sóng phẳng

Anten Cassegrain mang những ưu điểm như bộ chiếu xạ đặt ngay đỉnh gương chính nên giá

đỡ của nó đơn giản hơn, thuận lợi cho việc cấp điện, tổn hao và tạp âm đường truyền thấp hơn, qua đó tính hướng cũng cao hơn và độ rộng búp sóng chính nhỏ hơn

Anten Cassegrain được sử dụng phổ biến cho các trạm mặt đất thông thường và với các anten có kích thước trung bình và lớn

2 Anten góc lệch

Các anten một gương parabol và anten hai gương Cassegrain có một nhược điểm chung là bộ chiếu xạ hay gương phụ đặt thẳng hàng với đỉnh gương làm chắn một bộ phận các tia sóng phản xạ từ gương chính parabol gây ra một “miền tối” phía sau gương làm giảm hệ số tăng ích, hiệu suất và tăng búp phụ Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng anten lệch nghĩa là

bộ chiếu xạ được đặt lệch ra ngoài hướng của các tia phản xạ từ gương parabol

Các anten lệch (offset antenna)

3.Anten Gregorian

Nguyên lý tương tự như Cassegrain nhưng sử dụng gương phụ là elip thay vi hypebol Gương phụ được đặt lệch để tránh che tối.

Ứng dụng

Với tính hướng cao và phạm vi bức xạ hẹp anten parabol thường được sử dụng trong truyền thông điểm – điểm (point to point) và radar

• Truyền hình vệ tinh

• Liên kết vi sóng (Liên kết các cơ sở hạ tầng viễn thông, truyền tín hiệu điện thoại, truyền hinh, internet giữa các khu vực lớn như các thành phố, quốc gia)

• Truyền thông vệ tinh

(Anten điều khiển vệ tinh Vinasat 1)

• Thiên văn vô tuyến

• Hệ thống radar (Trong quân sự, dự báo thời tiết…)