Anten khe - ống dẫn sóng trong truyền thông VIBA

Anten khe - ống dẫn sóng

Trên thành ống dẫn sóng chữ nhật hay hình tròn, nếu cắt một hay nhiều khe có độ dài bằng nửa bước sóng (gọi là khe nửa sóng), thì ta sẽ được anten khe - ống dẫn sóng. Theo công thức 6.12 và 6.13 thì ở mặt trong sẽ có ba thành phần dòng điện mặt: từ trường dọc Hz gây ra thành phần ngang Jx, Jy còn từ trường ngang Hx gây ra thành phần dọc Jz. Nếu khe nằm trên thành ống dẫn sóng cắt ngang các đường sức mật độ dòng điện, thì dòng điện dẫn trên thành ống sẽ bị gián đoạn tại các khe hở và chuyển thành dòng điện dịch, chảy vuông góc với hai mép khe, như chỉ trên hình 6.10.

Nếu đặt khe dọc theo đường sức mật độ dòng điện mặt thì không có dòng điện dịch chảy ngang mép khe, nghĩa là khe không được kích thích và nó sẽ không bức xạ năng lượng. Khe dọc trên ống dẫn sóng (1) được kích thích bởi các thành phần ngang của mật độ dòng điện mặt Jx, Jy và có thể cắt trên thành rộng hay thành hẹp của ống. Tuy nhiên cần chú ý rằng dọc theo đường trung bình của thành rộng, mật độ dòng điện ngang bằng 0 (Jx = 0), vì vậy, nếu các khe nằm dọc theo đường trung bình của thành rộng thì chúng sẽ không được kích thích và không bức xạ.

Khe chữ thập (4) là sự kết hợp giữa khe ngang và khe dọc, theo công thức 6.13 dòng điện dọc và ngang trên thành ống dẫn sóng tại cùng một thiết diện có góc lệch pha nhau 900. Nếu tâm của khe chữ thập được đặt cách đường trung bình của thành rộng một khoảng x = x0 sao cho biên độ của các thành phần từ trường Hx và Hz tại đó bằng nhau thì cường độ kích thích cho hai khe sẽ bằng nhau.

NGUYÊN LÝ BỨC XẠ MẶT

Bức xạ của bề mặt được kích thích bởi trường điện từ

Để kích thích cho các khe có thể dùng các thăm kích thích đặt cạnh khe, vuông góc với mặt phẳng của khe, như chỉ trên hình 6.12. Giả sử mặt bức xạ được kích thích bởi trường của một sóng phẳng truyền theo hướng vuông góc với bề mặt, với trở kháng sóng Zs’, theo định nghĩa. Trong trường hợp này, các vectơ E, H của trường trên mặt bức xạ sẽ có biên độ và pha đồng đều (vì mặt bức xạ trùng với mặt sóng).

Chọn hệ tọa độ sao cho trục z trùng với phương truyền tới của sóng kích thích, còn vectơ điện trường phù hợp với trục y (E =Ey =i Ex 0). Thành phần thứ nhất có dạng phù hợp với hàm tính hướng của nguyên tố bức xạ hỗn hợp, còn thành phần thứ hai có dạng sinA/A (ở đây sin. A= kb θ đối với mặt phẳng điện trường và 2 sin. A=ka θ đối với mặt phẳng từ trường). Nếu coi mặt bức xạ là tập hợp của các nguyên tố hỗn hợp thì thành phần thứ nhất chính là hàm tính hướng riêng của phần tử bức xạ còn thành phần thứ hai sẽ tương ứng với hàm tính hướng tổ hợp.

Từ các công thức trên ta thấy rằng độ rộng búp sóng của anten trong mỗi mặt phẳng chỉ phụ thuộc vào kích thước của anten theo mặt phẳng ấy, không phụ thuộc vào kích thước anten trong mặt phẳng vuông góc với nó. Do đó, trong mặt phẳng E và H dạng đồ thị phương hướng của mặt bức xạ hình tròn cũng giống dạng đồ thị phương hướng của mặt bức xạ chữ nhật.

ANTEN LOA

Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Nếu ống dẫn sóng là ống chữ nhật và kích thước miệng ống được mở rộng trong mặt phẳng chứa vectơ từ trường thì loa được gọi là loa mở theo mặt H, viết tắt là loa H. Nếu ống dẫn sóng là chữ nhật và kích thước được mở rộng trong mặt phẳng chứa vectơ điện trường ta được loa mở theo mặt điện trường (loa E). Nếu ống dẫn sóng là chữ nhật và kích thước được mở rộng theo cả hai mặt phẳng chứa vectơ điện trường, từ trường ta được loa hình tháp. Nếu ống dẫn sóng là hình tròn ta có loa hình nón. Các anten loa: a) Nón vách nhẵn. b) Nón vách gấp nếp. Sóng truyền đi trong loa có thể coi là sóng cầu có tâm pha tại O, do đó tại mặt phẳng miệng loa không phải là mặt đồng pha.

Nếu loa có chiều dài R cố định, muốn diện tích miệng loa lớn để tạo được bức xạ mạnh thì góc mở của loa phải lớn. Nhưng điều này làm cho sóng phản xạ tại miêng loa càng lớn và sự sai pha giữa các phần tử bức xạ trên miêng loa càng lớn, gây méo pha theo hướng trục z, làm xấu tính hướng của anten. Bởi vậy khi tính toán anten loa có thể chọn góc mở và độ dài R của loa thích hợp, để anten loa có tính hướng tốt nhất.

Trong mặt phẳng E để có tính hướng tốt thì góc lệch pha cho phép trong mặt phẳng E là k ΔL ≤ π/2. Cũng chứng minh tương tự như trong trường hợp loa E, nhưng trong mặt phẳng H điện trường E ở mép loa bằng 0, có nghĩa là các phần tử nguyên tố bức xạ mặt càng ở xa tâm loa bức xạ càng yếu đi, do thành phần điện trường tiếp tuyến trên bề mặt mỗi nguyên tố giảm dần cho tới 0 tại mép loa.

ANTEN GƯƠNG

Cấu tạo của anten bao gồm hai bộ phận chủ yếu: một mặt phản xạ (gương) tròn xoay có mặt cong theo đường cong theo đường cong parabol, mặt phản xạ đảm bảo cơ chế hội tụ để tập trung năng lượng vào một phương cho trước; một bộ chiếu xạ đặt tại tiêu điểm F của gương, thực chất bộ chiếu xạ là một anten sơ cấp: bức xạ sóng cầu (với gương parabol tròn xoay) hay một nguồn bức xạ thẳng dọc theo trục tiêu (gương parabol trụ), hình 6.22. Để hiểu được tính chất hình học của mặt phản xạ parabol tròn xoay ta xét parabol là đường cong được tạo ra từ mặt phản xạ trong một mặt phẳng bất kỳ vuông góc với mặt phẳng chứa mặt mở và đi qua tiêu điểm (hình 6.23a). Xét quãng đường đi của hai tia sóng xuất phát từ bộ chiếu xạ đặt tại tiêu điểm của gương: một tia trùng với quang trục của gương và phản xạ tại đỉnh gương, đến miệng gương tại O’; một tia phản xạ tại điểm A bất kỳ trên mặt gương và đến miệng gương tại B.

Ta sẽ có FO + OO’= FA + AB = k (với k là hằng số).Quãng đường đi dài như nhau có nghĩa rằng sóng phát từ tiêu điểm có phân bố pha đồng đều trên mặt mở. Đối với f/d<0,25, anten sơ cấp (tiếp sóng) nằm trong không gian giữa mặt phản xạ và miệng gương và chiếu xạ giảm mạnh ở biên của mặt phản xạ. Anten Cassegrain gồm một gương phản xạ parabol tròn xoay còn gọi là gương chính, một gương phản xạ hyperbol còn gọi là gương phụ và bộ chiếu xạ dùng anten loa.

Gương phụ có hai tiêu điểm: một trùng với tiêu điểm của gương chính và một trùng với tâm pha của bộ chiếu xạ (hình: Mặt cắt dọc theo quang trục của anten Cassegrain ). Ưu điểm của anten Cassegrain là độ rộng búp sóng chính của đồ thị phương hướng nhỏ hơn so với anten parabol đơn, bộ chiếu xạ đặt ở ngay đỉnh gương chính nên rất thuận lợi cho viếc cấp điện. Như vậy, anten Cassegrain cũng có nhược điểm là gương phụ chắn mất một phần không gian ở trước gương chính gây ra miền tối, làm cho phân bố biên độ của trường không đồng đều, giảm tính định hướng của anten.

Cũng như ở trường hợp trên, gương phản xạ phụ có hai tiêu điểm, một trùng với tiêu điểm của gương phản xạ chính và điểm kia trùng với tâm pha của loa tiếp sóng.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

Một anten parabol đường kính 5m có hiệu suất làm việc 0,65 làm việc tại tần số 6GHz. Một anten parabol đường kính 3m có hiệu suất làm việc 0,55 làm việc tại tần số 2GHz. Một anten gương parabol có hệ số khuếch đại là 50 dBi, hiệu suất làm việc 60%.

Xác định hệ số khuếch đại khi biết hiệu suất làm việc của anten là 55%. Một anten phát có hệ số khuếch đạilà 40 dBi, anten có công suất phát là bao nhiêu để anten thu gương parabol có đường kính miệng gương 0,9 m; hiệu suất làm việc 0,55 đặt cách anten phát 50 km nhận được công suất – 70 dBW. Anten gương parabol có hệ số khuếch đạilà 40 dBi, hiệu suất làm việc 60%, làm việc tại tần số 4GHz.Tính đường kính miệng gương.

Một anten phát có hệ số khuếch đạilà 30 dBi, công suất phát của anten là 5W. Số liệu như bài 17, tính tổn hao truyền sóng trong không gian tự do khi truyền từ anten phát đến anten thu.