D. Antenloa – Parabol.
E. Anten gương kép (Anten Cassegre n)
Sơ đồ của anten Cassegren được vẽ ở hình dưới. Anten gồm cĩ một gương lớn 1(gương chính ), một gương nhỏ 2( gương phụ )và bộ chiếu xạ 3 cĩ tâm pha đặt tại tiêu điểm của gương phụ với mỗi bộ chiếu xạ cĩ mặt sĩng đã xác định, cĩ thể chọn vơ số cặp gương chính phụ khác nhau để tạo thành mặt đồng pha ở miệng
của gương chính .
Hình trên vẽ anten gương kép với gương chính là parabol gương phụ là gương hyperbol. Anten này cịn cĩ tên gọi khác là anten Cassegren
Ơû hình (a)tiêu điểm của gương phụ hyperbol được bố trí trùng với tiêu điểm của gương chính parabol. Tiêu cự của nhánh hyperbol thứ hai (nhánh ảo) nằm ở F2 trên trục của gương chính. Bộ chiếu xạ sẽ được bố trí thế nào để tâm pha của nĩ trùng với điểm F2. Sĩng điện từ tạo ra bởi bộ chiếu xạ sẽ truyền tới mặt gương phụ hyperbol và sau khi phản xạ sẽ đập vào mặt gương chính, tiếp tục phản xạ lần hai rồi truyền đi.
Giả sử bộ chiếu xạ là nguồn sĩng cầu, các sĩng tới và sĩng phản xạ tuân theo quy luật quang hình. Khi đĩ, theo tính chất hyperbol và dựa vào hình (a) ta cĩ : F2A –F1 = F2A’ –F1A’ = 2a
F1A + AB +BC = F1A’ + A’B’ +B’C’ =2f+z0 Vì F2A =F1A + 2a nên: Vì F2A =F1A + 2a nên:
F2A + AB + BC = 2f + z0 + 2a = const
Trong đĩ f là tiêu cự của gương parabol; 2a là khoảng cách giửa hai đỉnh hyperbol; z0 là khoảng cách từ tiêu điểm parabol đến đường thẳng vuơng gĩc với trục parabol .
Ở song song với mặt phẳng miệng gương sẽ là một hằng số. Vì vậy anten Cassegren cũng đạt được hiệu quả biến đổi sĩng cầu thành sĩng phẳng giống như anten đơn giản. Ưu điểm của anten này so với gương đơn là kích thước anten theo hướng trục nhỏ hơn so với anten gương đơn. Đồng thời, do bộ chiếu xạ đặt gần đỉnh gương nên kết cấu sẽ đơn giản và thuận lợi hơn. Khuyết điểm của anten Cassegren là gương phụ sẽ chắn mất một phần khơng gian phía trước gương chính gây ra một miền tối làm phân bố biên độ của trường khơng đồng đều, dẫn đến giảm hệ số định hướng của anten. Hệ số định hướng của anten cassegren được xác định gần đúng theo cơng thức:
Do’≈ Do [1-2 (R1/R2 )] 2
Trong đĩ: Do là hệ số định hướng khi gương chính khơng bị che. R1, R2 là bán kính của miệng gương phụ và miệng gương chính. Đẻ khắc phục hiệu ứng che chắn của gương phụ đối với gương chính người ta chế tạo gương phụ dưới dạng lưới dây dẫn song song, cịn bề mặt gương chính cần được chế tạo sao cho nĩ cĩ khả năng quay mặt phẳng phân cực của sĩng phản xạ đi một gĩc 90 độ. Sĩng phản xạ từ mặt gương chính cĩ mặt phẳng phân cực đã quay đi một gĩc 90 độ so với hướng ban đầu sẽ lọt qua lưới dây dẩn song song của mặt gương phụ mà khơng bị gương phụ che chắn.
Độ tăng tích của anten:
η λ π = η λ π = 4 A . ( D). G 2 2 t t
Chú ý rằng với một anten cĩ đường kính khơng đổi thì tần số càng cao, hệ số tăng tích anten càng lớn.
Gt: là hệ số tăng tích của anten phát( dB ) At: khẩu độ của anten phát( m2 ).
D: đường kính của anten( m ). η: hiệu suất của anten.
λ: bước sĩng của anten ( λ = c/f ).
Anten cánh bướm cĩ trở kháng vào ≈75Ω. Hệ số khuếch đại trong mặt phẳng đứng lớn hơn 1.8 lần so với chấn tử phẳng đơn.
Để tăng hệ số khuếch đại và đạt biểu đồ hướng đúng hẹp cĩ thể dùng anten chũ thập cánh bướm nhiều tầng, mỗi tấng cách nhau từ(0.3÷0.5)λ.
Hình 3-21
Điều cơ bản là phải đạt điều kiện: hai nửa của một chấn tử cĩ pha đối
nhau ( ), cịn hai nửa của chấn tử vuơng gĩc bị dịch pha
. Ví duï hình 3.21.a giới thiệu anten cánh bướm 3 tầng. ο
180 ο οvà270 90
- Chiều dài các đoạn dây fide từ điểm a và khác nhau λ/2, vì thế tạo ra điện áp nuơi ngược pha nhau cho các chấn tử 1 và 3.
,a a
÷ a" ο
180
- Khoảng cách từ các điểm và tới các chấn tử 1và 3 là như nhau, nên khơng gây dịch pha và các tầng được nuơi đồng pha.
'
a a"
- Để tạo độ dịch pha nuơi các chấn tử vuơng gĩc, chỉ cần tăng chiều dài một trong hai đoạn dây fide thêm
ο 90
4 /
λ (hình 3.21 a).
Với phương pháp nuơi các chấn tử bằng các dịng điện dịch pha nhau 90ο cĩ thể giảm tối đa sĩng phản xạ về dây fide chính, cĩ
nghĩa là tăng hệ số sĩng chạy và mở rộng dải tần làm việc của anten. Trong những trường hợp nguồn nuơi được cấp riêng biệt từ máy phát hình và máy phát tiếng thì hệ thống phân phối tín hiệu sẽ cĩ thêm chúc năng làm thành một bộ lọc phân cách (hình 3.22).
Các tín hiệu cao tần hình và tiếng được trộn trong mạch cầu làm bằng các đoạn cáp đồng trục (hình 3.22 a).
Tỉ lệ về pha của các tín hiệu cao tần hình và tiếng tại các chấn tử khác nhau (hính b,c).
Tuy anten phát hình chũ thập cánh bướm cĩ ưu điểm là gọn, nhẹ, dễ chế tạo, nhưng cũng cĩ nhiều nhược điểm là: biểu đồ hướng ngang phụ thuộc nhiều vào đường kính của cột đỡ. Để đạt được biểu đồ hướng trịn với độ mấp mơ nhỏ thì đường kính của cột đỡ khơng vượt
quá: . Vì vậy anten chũ thập cánh bướm chỉ được ứng
dụng trong băng tần VHF. Trong băng UHF thì đường kính của cột quá nhỏ. Cũng vì lý do trên khơng thể thiết kế được anten phát hình đa kênh và cĩ biểu đồ hướng ngang theo yêu cầu, trừ hình trịn và số 8 trên cơ sở anten chữ thập cánh bướm.
λ ÷0.15 1
. 0
Đồ thị phương hướng được vẽ ở hình (3.23)
10. Anten thấu kính.
Anten thấu kính thuộc loại anten mặt. Măt bức xạ của nĩ được kích thích bởi trường do một nguồn sĩng sơ cấp đưa tới. Nguyên lý hoạt động của anten thấu kính cũng tương tự nguyên lý của thấu kính quang học. Thấu kính hội tụ được ứng dụng để thiết lập những anten cĩ đồ thị phương hướng hẹp ngồi các thấu kính cĩ hình dạng phức tạp hơn, cho phép biến đổi sĩng sơ cấp để tạo ra ở mặt bức xạ một qui luật phân bố trường cho trước. Ta gọi thấu kính này là thấu kính đặc biệt .
Mỗi anten thấu kính gồm hai phần chính là thấu kính và bộ chiếu xạ. Tùy theo thấu kính là loại đối xứng trục hay hình trụ mà bộ chiếu xạ cĩ hình dạng thích hợp để tạo thành sĩng sơ cấp đưa tới thấu kính.
Một số loại anten thấu kính được vẽ ở hình ( )
Ở hình vẽ, ta cĩ các loại thấu kính điện mơi (hình a,b), thấu kính giả điện mơi hoặc cịn gọi là thấu kính điện mơi kim loại (hình c), và các thấu kính kim loại (hình d,e,f). Việc tạo thành chùm tia song song ở mặt ra của thấu kính cĩ thể do sự khúc xạ sĩng tại một mặt thấu kính hay tại cả hai mặt (tùy theo từng kết cấu cụ thể).
a. Thấu kính điện mơi :
Thấu kính điện mơi thuộc loại thấu kính chậm. Chiết suất của thấu kính được xác định bởi hệ số điện mơi tương đối của vật liệu chế tạo, theo cơng thức: ο ε ε = n = ε,
với ε: hằng số điện mơi của thấu kính.
:hằng số điện mơi của mơi trường khơng khí. ο
ε
Thấu kính điện mơi cĩ ưu điểm là dải tần rộng và tính chất hội tụ của nĩ khơng phụ thuộc vào sự phân cực của sĩng. Tuy nhiên, nhược điểm của nĩ là cĩ gây tổn hao đối với sĩng truyền qua và đắt tiền. Hiệu suất của thấu kính được xác định :
t
e α
η= −2
α :là hệ số suy giảm được tính theo cơng thức :
δ λ
α =27.3t ntg (dB/m)
δ :là gĩc tổn hao của điện mơi, t là độ dày của thấu kính .
Để giảm tổn hao, cần sử dụng điện mơi cĩ ntgδ nhỏ, ví dụ polistirol cĩ n =2,3 , tgδ = 0,0001
b. Thấu kính kim loại:
Biết rằng khơng cĩ các điện mơi với n <1, vì vậy để chế tạo thấu kính nhanh cần sử dụng kết cấu gồm các tấm kim loại đặt song song nhau. Khi ấy, mơi trường giữa hai tấm kim loại kề nhau sẽ giống như mơi trường trong ống dẫn sĩng chữ nhật, cĩ kích thước trong mặt phẳng H bằng khoảng cách a giữa hai tấm kim loại. Vận tốc pha của sĩng truyền qua là: 2 ) 2 / ( 1 a c v λ − =
Do đĩ chiết suất của thấu kính sẽ là:
2 ) 2 / ( 1 a v c n= = − λ
Thấu kính kim loại cĩ kết cấu đơn giản giá thành hạ và cĩ hiệu suất cao (vì trong thấu kính khơng cĩ điện mơi gây tổn hao) nhưng cĩ nhược điểm là tính chất hội tụ của thấu kính phụ thuộc vào sự phân cực của sĩng tới và tần số cơng tác (hay đĩ là giới hạn về dải tần số).
c. Thấu kính điện mơi-kim loại:
Là thấu kính thuộc loại thấu kính chậm. Nĩ được cấu tạo bởi các phần tử kim loại mà kích thước của các phần tử này theo phương của vector E cĩ giá trị nhỏ so với bước sĩng. Các phần tử kim loại này cĩ thể cĩ kết cấu và hình dạng khác nhau :hình cầu, hình đĩa dẹt, dải kim loại.…
Hệ số điện mơi được xác định:
ε= εo (1+
ο ε
α
N )
Trong đĩ, N là số phân tử trong một đơn vị thể tích.
α là hệ số phân cực của một phần tử, là hệ số điện mơi của chân khơng.
Chiết suất củaSđiện mơi-kim loạiT được xác định bởi cơng thức:
ο ε α = n = ο ε α N + 1
d. Thấu kính kim loại gấp khúc:
Thấu kính được kết cấu bởi hai lá kim loại song song, uốn theo đường gấp khúc, sao cho các tia truyền trong đĩ sẽ cĩ quỹ đạo mà độ dài hình học của các quỹ đạo ấy đều bằng nhau.
e. Thấu kính khơng đồng nhất:
Một trong những thấu kính khơng đồng nhất là thấu kính Luneberg. Thấu kính cĩ thể được chế tạo dưới dạng hình cầu hoặc hình trụ trịn cĩ chiết suất biến đổi theo hướng bán kính theo qui luật:
2 ) ( 2 ) ( a n ρ = − ρ
Trong đĩ, ρ là khoảng cách tính từ tâm, a là bán kính hình cầu hoặc hình trụ.
10. Anten gương.
Nguyên lý chung:
Nguyên lý làm việc của anten gương tương tự như nguyên lý của gương quang học. Sĩng sơ cấp với dạng của mặt sĩng và hướng truyền lan nhất định, sau khi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành sĩng thứ cấp với dạng của mặt sĩng và hướng truyền lan biến đổi theo yêu cầu cho trước. Việc biến đổi dạng mặt sĩng và hướng truyền lan được thực hiện nhờ hình dạng và kết cấu đặc biệt của mặt gương. Anten gương cĩ nhiệm vụ vừa biến đổi dạng giản đồ hướng của bức xạ sơ cấp, vừa biến đổi hướng truyền lan (antenloa – parabol) hoặc chỉ biến đổi hướng bức xạ(anten periscop). Ngồi ra, trong một số trường hợp để nâng cao chỉ tiêu chất lượng của anten
người ta cịn kết hợp một số gương tạo thành anten kép (anten Cassegrain).
-Hình a: giản đồ hướng bức xạ sơ cấp - thứ cấp với anten gương parabol.
-Hình b: giản đồ hướng bức xạ sơ cấp - thứ cấp đối với anten gương cĩ đồ thị phương hướng dạng cosec.
-Hình c: vẽ giản đồ hướng và truyền lan của bức xạ sơ cấp - thứ cấp với anten loa – parabol.
-Hình d: vẽ sự biến đổi hướng bức xạ của sĩng sơ cấp – thứ cấp đối với anten gương pêriscơp.
A. Anten Parabol:
Là loại anten sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng sĩng Viba là anten phản xạ dạng Parabol (thường được gọi là anten Parabol). Nĩ bao gồm một anten sơ cấp như là một lưỡng cực đặt tại tiêu cự của một tấm phản xạ dạng Parabol như hình vẽ.
Miệng hay gĩc mở vật lý của tấm phản xạ cĩ dạng trịn và chu tuyến của tấm phản xạ hướng về mặt phẳng chứa tiêu cự F. Điểm quan trọng của loại anten này là cĩ thể hội tụ các tia song song vào tiêu cự của nĩ và ngược lại cĩ thể tạo ra chùm tia song song từ các bức xạ phát sinh từ tiêu cự. Nếu cĩ một nguồn bức xạ đẳng hướng đặt ở tiêu cự thì ngồi chùm tia song song như ta mong muốn cịn cĩ các tia khơng đi từ mặt phản xạ ra chúng tạo thành các tia vượt qua (Spillover) như ở hình vẽ. Ở chế độ thu các tia này sẽ làm gia tăng tạp âm và chúng cĩ thể giao thoa phá hủy chùm tia phản xạ. Trong thực tế, một vật bức xạ được thiết kế để cĩ tối thiểu hoặc loại bỏ các tia này.
So với anten dạng kèn thì anten Parabol cĩ độ định hướng cao hơn, băng thơng làm việc lớn hơn và nhiều chỉ tiêu kỷ thuật khác tốt hơn nên nĩ thường được sử dụng trong lĩnh vực Viba.
CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ANTEN PARABOL.
Các đặc tính của anten đĩng một vai trị quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống liên lạc Viba điểm nối điểm. Ở đây ta chỉ xét các đặc tính cơ bản của anten cĩ ảnh hưởng đến việc thiết kế của các hệ thống liên lạc Viba trực xạ.
Một số điểm sau đây về anten phải luơn luơn được hiểu rõ khi khảo sát anten.
- Anten là một thiết bị thuận nghịch vì thế các phẩm chất phát và thu là đồng nhất ở cùng một tần số.
- Các anten được đặt cố định trên các tháp anten. Các tháp anten này được đặt tại các vị trí cố định.
- Kích thước của anten dùng để chỉ đường kính của khẩu độ bức xạ. Đối với anten Parabol kích thước khẩu độ bức xạ nhỏ hơn đường kính thực của đĩa. Một anten Parabol thường cĩ lắp các viền uốn hoặc các đường viền phía sau để gia cường hoặc tạo ra một mặt giá để che chắn bộ hấp thụ.
- Băng tần: Băng tần này được định nghĩa là băng tần liên tục trong đĩ anten sẽ làm việc. Nĩi chung mỗi anten chỉ làm việc với một băng tần. Những yêu cầu cao hơn trong việc lắp đặt các anten hiện nay đã khẳng định một vấn đề quan trọng trong thiết kế anten là cần một anten làm việc được với nhiều băng tần. Thường những băng tần này nằm xa nhau, lúc này anten được hiểu như là một anten SBăng đối ngẫuT. Nhưng vì nhiều lí do khác nhau băng tần làm việc của anten Viba do ống dẫn sĩng cung cấp khơng vượt quá ± 7% tần số trung tâm.
a. Biểu đồ bức xạ của anten.
Vì anten là một thiết bị thuận nghịch nên làm việc như nhau hoặc phát hoặc thu. Ở đây anten được xem như chỉ để thu, biểu đồ bức xạ được xác định là đáp tuyến của anten đối với một tín hiệu cĩ cơng suất khơng đổi được phát đến anten từ các hướng khác nhau. Cơng suất đáp ứng của anten đo ở ngõ ra mặt bích của anten. Trong khi đĩ quay anten cần đo trong mặt phẳng ngang 360 độ cơng suất đáp ứng được đo ở cửa ra mặt bích bằng một máy thu trong suốt quá trình đo, anten phát đặt ở một vị trí
đơn giản bằng việc quay anten cần đo và thay đổi vĩ độ của anten phát. Sau mỗi lần đo khi anten thu đã quay hết mặt phẳng ngang. Một biểu đồ như vậy cĩ 3 chiều. Hướng mà theo hướng đĩ cơng suất nhận là cực đại gọi là hướng chính (boresight ) của anten. Khi làm việc với các anten của trạm Viba ta cĩ thể xem biểu đồ bức xạ của mỗi trục độc lập với nhau . Mặc dù trong hầu hết các trường hợp các biểu đồ bức xạ là đồng nhất.
Các biểu đồ bức xạ ïcịn cĩ thể được biểu diễn dưới dạng các cung cĩ độ lợi khơng đổi dạng biểu diễn này phù hợp tốt cho việc xác định diện tích bao phủ của vệ tinh.