Anten gương kép (Anten Cassegre n)

D. Antenloa – Parabol.

E. Anten gương kép (Anten Cassegre n)

Sơ đồ của anten Cassegren được vẽ ở hình dưới. Anten gồm có một gương lớn 1(gương chính ), một gương nhỏ 2( gương phụ )và bộ chiếu xạ 3 có tâm pha đặt tại tiêu điểm của gương phụ với mỗi bộ chiếu xạ có mặt sóng đã xác định, có thể chọn vô 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 còn có 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 nó trùng với điểm F2. Sóng 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 sóng cầu, các sóng tới và sóng phản xạ tuân theo quy luật quang hình. Khi đó, theo tính chất hyperbol và dựa vào hình (a) ta có : F2A –F1 = F2A’ –F1A’ = 2a

Mặt khác, dựa vào tính chất của parabol ta có: F1A + AB +BC = F1A’ + A’B’ +B’C’ =2f+z0

Vì F2A =F1A + 2a nên:

F2A + AB + BC = 2f + z0 + 2a = const

Trong đó 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 vuông góc 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 sóng cầu thành sóng 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 không gian phía trước gương chính gây ra một miền tối làm phân bố biên độ của trường không đồng đều, dẫn đến giảm hệ số định hướng của anten. Hệ số định hướng của anten cassegren được xác định gần đúng theo công thức: Do’≈ Do [1-2 (R1/R2 )] 2

Trong đó: Do là hệ số định hướng khi gương chính không 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, còn bề mặt gương chính cần được chế tạo sao cho nó có khả năng quay mặt phẳng phân cực của sóng phản xạ đi một góc 90 độ. Sóng phản xạ từ mặt gương chính có mặt phẳng phân cực đã quay đi một góc 90 độ so với hướng ban đầu sẽ lọt qua lưới dây dẩn song song của mặt gương phụ mà không 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 có đường kính không 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.

Anten cánh bướm có 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 có thể dùng anten chũ thập cánh bướm nhiều tầng, mỗi tấng cách nhau từ(0.3÷0.5)λ.

Điều cơ bản là phải đạt điều kiện: hai nửa của một chấn tử có pha đối nhau (

ο

180 ), còn hai nửa của chấn tử vuông góc bị dịch pha 90οvà270ο. Ví duï hình 3.21.a giới thiệu anten cánh bướm 3 tầng.

- Chiều dài các đoạn dây fide từ điểm a÷a, và a" khác nhau λ/2, vì thế tạo ra điện áp nuôi ngược pha nhau 180ο cho các chấn tử 1 và 3.

- Khoảng cách từ các điểm a' và a" tới các chấn tử 1và 3 là như nhau, nên không gây dịch pha và các tầng được nuôi đồng pha.

- Để tạo độ dịch pha 90ο nuôi các chấn tử vuông góc, chỉ cần tăng chiều dài một trong hai đoạn dây fide thêm λ/4 (hình 3.21 a).

Với phương pháp nuôi các chấn tử bằng các dòng điện dịch pha nhau 90ο có thể giảm tối đa sóng phản xạ về dây fide chính, có nghĩa là tăng hệ số sóng chạy và mở rộng dải tần làm việc của anten. Trong những trường hợp nguồn nuôi được cấp riêng biệt từ máy phát hình và máy phát tiếng thì hệ thống phân phối tín hiệu sẽ có 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 có ưu điểm là gọn, nhẹ, dễ chế tạo, nhưng cũng có nhiều nhược điểm là: biểu đồ hướng ngang phụ thuộc nhiều vào đường kính của cột đỡ. Để đạt được biểu đồ hướng tròn với độ mấp mô nhỏ thì đường kính của cột đỡ không vượt quá:0.1÷0.15λ. 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 không thể thiết kế được anten phát hình đa kênh và có biểu đồ hướng ngang theo yêu cầu, trừ hình tròn và số 8 trên cơ sở anten chữ thập cánh bướm.

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 nó được kích thích bởi trường do một nguồn sóng 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 có đồ thị phương hướng hẹp ngoài các thấu kính có hình dạng phức tạp hơn, cho phép biến đổi sóng 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 có hình dạng thích hợp để tạo thành sóng sơ cấp đưa tới thấu kính.

Một số loại anten thấu kính được vẽ ở hình ( )

Ở hình vẽ, ta có các loại thấu kính điện môi (hình a,b), thấu kính giả điện môi hoặc còn gọi là thấu kính điện môi 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 có thể do sự khúc xạ sóng tại một mặt thấu kính hay tại cả hai mặt (tùy theo từng kết cấu cụ thể).

a. Thấu kính điện môi :

Thấu kính điện môi thuộc loại thấu kính chậm. Chiết suất của thấu kính được xác định bởi hệ số điện môi tương đối của vật liệu chế tạo, theo công thức: ο ε ε = n = ε,

với ε: hằng số điện môi của thấu kính.

ο

ε :hằng số điện môi của môi trường không khí.

Thấu kính điện môi có ưu điểm là dải tần rộng và tính chất hội tụ của nó không phụ thuộc vào sự phân cực của sóng. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có gây tổn hao đối với sóng truyền qua và đắt tiền. Hiệu suất của thấu kính được xác định :

η=e−2αt

α :là hệ số suy giảm được tính theo công thức : δ

λ

δ :là góc tổn hao của điện môi, t là độ dày của thấu kính .

Để giảm tổn hao, cần sử dụng điện môi có ntgδ nhỏ, ví dụ polistirol có n =2,3 , tgδ = 0,0001

b. Thấu kính kim loại:

Biết rằng không có các điện môi 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, môi trường giữa hai tấm kim loại kề nhau sẽ giống như môi trường trong ống dẫn sóng chữ nhật, có kích thước trong mặt phẳng H bằng khoảng cách a giữa hai tấm kim loại. Vận tốc pha của sóng truyền qua là: 1 ( /2a)2 c v λ − =

Do đó chiết suất của thấu kính sẽ là: 1 ( /2a)2

v c

n= = − λ

Thấu kính kim loại có kết cấu đơn giản giá thành hạ và có hiệu suất cao (vì trong thấu kính không có điện môi gây tổn hao) nhưng có nhược điểm là tính chất hội tụ của thấu kính phụ thuộc vào sự phân cực của sóng tới và tần số công tác (hay đó là giới hạn về dải tần số).

c. Thấu kính điện môi-kim loại:

Là thấu kính thuộc loại thấu kính chậm. Nó

được cấu tạo bởi các phần tử kim loại mà kích thước của các phần tử này theo phương của vector E có giá trị nhỏ so với bước sóng. Các phần tử kim loại này có thể có kết cấu và hình dạng khác nhau :hình cầu, hình đĩa dẹt, dải kim loại.…

Hệ số điện môi được xác định: ε= εo (1+ ο ε α N )

α là hệ số phân cực của một phần tử, là hệ số điện môi của chân không.

Chiết suất củađiện môi-kim loại được xác định bởi công 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 đó sẽ có quỹ đạo mà độ dài hình học của các quỹ đạo ấy đều bằng nhau.

e. Thấu kính không đồng nhất:

Một trong những thấu kính không đồng nhất là thấu kính Luneberg. Thấu kính có thể được chế tạo dưới dạng hình cầu hoặc hình trụ tròn có chiết suất biến đổi theo hướng bán kính theo qui luật: ( ) 2 ( )2

a n ρ = − ρ

Trong đó, 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. Sóng sơ cấp với dạng của mặt sóng và hướng truyền lan nhất định, sau khi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành sóng thứ cấp với dạng của mặt sóng và hướng truyền lan biến đổi theo yêu cầu cho trước. Việc biến đổi dạng mặt sóng và hướng truyền lan được thực hiện nhờ hình dạng và kết cấu đặc biệt của mặt gương. Anten

gương có 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). Ngoài ra, trong một số trường

hợp để nâng cao chỉ tiêu chất lượng của anten

người ta còn 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 có 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 sóng sơ cấp – thứ cấp đối với anten gương pêriscôp.

A. Anten Parabol:

Là loại anten sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng sóng Viba là anten phản xạ dạng Parabol (thường được gọi là anten Parabol). Nó 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 góc mở vật lý của tấm phản xạ có dạng tròn và chu tuyến của tấm phản xạ hướng về mặt phẳng chứa tiêu cự F. Điểm quan trọng của loại anten này là có thể hội tụ các tia song song vào tiêu cự của nó và ngược lại có thể tạo ra chùm tia song song từ các bức xạ phát sinh từ tiêu cự. Nếu có một nguồn bức xạ đẳng hướng đặt ở tiêu cự thì ngoài chùm tia song song như ta mong muốn còn có các tia không 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 có thể giao thoa phá hủy chùm tia phản xạ. Trong thực tế, một vật bức xạ được thiết kế để có tối thiểu hoặc loại bỏ các tia này.

So với anten dạng kèn thì anten Parabol có độ định hướng cao hơn, băng thông làm việc lớn hơn và nhiều chỉ tiêu kỷ thuật khác tốt hơn nên nó thường được sử dụng trong lĩnh vực Viba.

CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ANTEN PARABOL.

Các đặc tính của anten đóng một vai trò 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 có ảnh hưởng đến việc thiết kế của các hệ thống liên lạc Viba trực xạ.

Một số điểm sau đây về anten phải luôn luôn 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 có 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 đó anten sẽ làm việc. Nói 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 Băng đối ngẫu. Nhưng vì nhiều lí do khác nhau băng tần làm việc của anten Viba do ống dẫn sóng cung cấp không 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 có công suất không đổi được phát đến anten từ các hướng khác nhau. Công suất đáp ứng của anten đo ở ngõ ra mặt bích của anten. Trong khi đó quay anten cần đo trong mặt phẳng ngang 360 độ công 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 thuận lợi. Đo ở các mặt phẳng khác có thể thực hiện 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 có 3 chiều. Hướng mà theo hướng đó công suất nhận là cực đại gọi là hướng chính (boresight ) của anten. Khi làm việc với các anten của trạm

Viba ta có 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 ïcòn có thể được biểu diễn dưới dạng các cung có độ lợi không đổi dạng biểu diễn này phù hợp tốt cho việc xác định diện tích bao phủ của vệ tinh.

b. Độ rộng búp sóng :

Độrông búp sóng là thuật ngữ thường dùng với nghĩa Độ rộng nửa công suất. Độ rộng búp sóng nửa công suất được định nghĩa là độ rộng góc của búp sóng chính tương ứng với khi biên độ của biểu đồ