Hệ số tăng ích của anten là một thông số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức xạ của anten so với hệ số định hướng, vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính định hướng của anten mà còn biểu thị sự tổn hao trên anten.
1.3. Phân loại và các loại anten thông dụng 1.3.1. Phân loại anten 1.3.1. Phân loại anten
Anten có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, thông thường theo các cách phân loại sau:
- Công dụng của anten: Anten có thể được phân loại thành anten phát và anten
thu hoặc anten thu phát dùng chung. Thông thường anten làm nhiệm vụ cho cả phát và thu.
- Dải tần công tác của anten: Anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóng ngắn
và anten sóng cực ngắn.
- Cấu trúc của anten: Anten có hướng và anten vô hướng.
- Phương pháp cấp điện cho anten: Anten đối xứng và anten không đối xứng.
1.3.2. Các loại anten thông dụng 1.3.2.1. Anten dàn chấn tử 1.3.2.1. Anten dàn chấn tử
Anten dàn chấn tử hay còn gọi là dàn anten do hai hay nhiều chấn tử đơn hợp thành. Mỗi phần tử đơn là một chấn tử đối xứng riêng rẽ có chiều dài một phần tư bước sóng hoặc nửa bước sóng. Chúng được sắp xếp sao cho các trường bức xạ của các chấn tử riêng rẽ cộng với nhau tạo nên trường bức xạ tổng tập trung năng lượng trong búp sóng hẹp theo phương mong muốn.
Có hai cách bố trí các chấn tử trong một dàn chấn tử: đặt các chấn tử thẳng hàng dọc theo trục của chấn tử hoặc đặt các chấn tử song song với nhau, vuông góc với trục của chấn tử. Việc sắp xếp các chấn tử như vậy được gọi là sắp xếp theo hàng và cột.
Dàn chấn tử đồng pha
Cấu tạo: Anten thường bao gồm một số chấn tử nửa sóng được sắp xếp thành hàng và cột trong mặt phẳng, với khoảng cách giữa các chấn tử bằng nửa bước sóng công tác theo phương thẳng đứng và theo phương nằm ngang (hình 1.3). Số chấn tử dùng trong hàng và cột thường chẵn. Để tiếp điện đồng pha cho các chấn tử có thể dùng sơ đồ mắc liên tiếp, đường dây feeder bắt chéo (hình 1.3a), hoặc bằng cách mắc song song từng cấp (hình 1.3b)
Hình 1.3. Dàn chấn tử đồng pha
Hình 1.3a, chiều dòng điện chạy trên các chấn tử được vẽ bởi các mũi tên. Việc bắt chéo đường dây tiếp điện giữa hai tầng nhằm đảm bảo tiếp điện đồng pha cho chấn tử ở các tầng.
Hình 1.3b, với cách mắc song song từng cấp có thể dễ dàng nhận thấy rằng độ dài của đường feeder tiếp cho các chấn tử sẽ có giá trị như nhau, do đó pha của dòng điện tiếp cho các chấn tử của dàn anten giống nhau.
Ứng dụng: Anten dàn chấn tử đồng pha được sử dụng trong thực tế ở dải sóng ngắn và sóng cực ngắn.
1.3.2.2. Anten Yagi
Cấu tạo: Gồm một chấn tử chủ động (chấn tử được cấp nguồn) thường là chấn tử vòng dẹt nửa sóng, một chấn tử phản xạ thụ động và một số chấn tử dẫn xạ thụ động (là chấn tử không được cấp nguồn). Các chấn tử được gắn trực tiếp trên một thanh đỡ thông thường bằng kim loại (hình 1.4). Việc gắn trực tiếp các chấn tử lên thanh kim loại thực tế không ảnh hưởng gì đến các tham số của anten vì điểm giữa của các chấn tử nửa sóng là nút của điện áp đặt và các chấn tử đặt vuông góc với thanh kim loại nên không có dòng điện cảm ứng trong thanh.
Hình 1.4. Anten Yagi
Ứng dụng: Đây là loại anten đang được sử dụng rộng rãi ở băng sóng ngắn cũng như băng sóng cực ngắn. Hoạt động của anten này có nhiều ưu điểm về thông số điện, đơn giản về cấu trúc, rất phù hợp với các loại máy thu của hệ thống thông tin vô tuyến trong gia đình. Trong dải sóng ngắn, chấn tử thường được làm từ dây dẫn hợp kim hoặc lưỡng kim có độ dẫn điện tốt và sức bền cơ học cao.
1.3.2.3. Anten loga – chu kỳ
Để mở rộng dải tần công tác của anten ta có thể dựa vào nguyên lý tương tự của điện động học: Nếu biến đổi đồng thời bước sóng công tác và tất cả các kích thước của anten theo một tỷ lệ giống nhau thì các đặc tính của anten như: đồ thị phương hướng, trở kháng vào v.v… sẽ không biến đổi. Dựa vào nguyên lý này có thể thiết lập các anten không phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiều khu vực có kích thước hình học khác nhau nhưng tỷ lệ với nhau theo một hệ số nhất định. Khi anten làm việc với một tần số nào đó, chỉ có một khu vực nhất định của anten tham gia vào quá trình bức xạ và được gọi là miền bức xạ. Khi thay đổi tần công tác thì miền bức xạ sẽ dịch chuyển đến miền mới với tỷ lệ các kích thước hình
học của các phần tử bức xạ sẽ dịch chuyển đến miền mới với tỷ lệ các kích thước hình học của các phần tử bức xạ so với bước sóng công tác mới. Đây chính là nguyên lý cấu tạo anten loga – chu kỳ.
Hình 1.5. Anten loga – chu kỳ
Cấu tạo: Anten loga – chu kỳ được cấu tạo từ nhiều chấn tử có độ dài khác nhau và đặt ở khoảng cách khác nhau. Anten được tiếp điện bằng feeder đối xứng hay cáp đồng trục.
Kích thước và khoảng cách của các chấn tử biến đổi dần theo một tỷ lệ nhất định. Hệ số tỷ lệ này được gọi là chu kỳ của anten, và được xác định:
Trong đó: d là khoảng cách giữa các chấn tử, còn là chiều dài chấn tử.
Đặc tính của anten loga chu kỳ được xác định bởi hai thông số chủ yếu: chu kỳ và góc mở .
Ứngdụng:Sử dụng trong băng sóng ngắn và cực ngắn. Có khi còn dùng làm bộ chiếu xạ cho anten gương.
1.3.2.4. Anten khe
Anten khe được sử dụng chủ yếu ở băng vi ba. Trong thực tế khe bức xạ có những dạng chữ nhật (khe thẳng) hoặc hình tròn (khe hình vành khăn) và được cắt trên các mặt kim loại có hình dạng và kích thước khác nhau: trên thành hốc cộng hưởng, thành ống dẫn sóng hình chữ nhật hoặc tròn, trên các tấm kim loại phẳng, cánh máy bay v.v… kích thước của mặt kim loại có thể khá hơn so với bước sóng nhưng cũng có thể chỉ vài bước sóng công tác.
Anten khe nửa sóng
Nếu trên thành ống dẫn sóng hay hốc cộng hưởng cắt một khe hẹp có chiều dài bằng 1 nửa bước sóng công tác thì chúng ta sẽ có một anten khe nửa sóng, nghĩa là khe chỉ bức xạ vào một nửa không gian.
Dưới tác dụng của sức điện động đặt vào khe, trong khe sẽ xuất hiện các đường sức điện trường hướng vuông góc
với hai mép khe. Hình 1.6. Anten khe nửa sóng
Điện áp giữa hai mép khe bằng tích của cường độ điện trường với độ rộng của khe (U=E.b). Ta có thể coi gần đúng mỗi nửa khe giống như một đoạn đường dây
song hành mà hai nhánh dây là hai mép khe được nối tắt đầu cuối (tại ). Khi
ấy phân bố điện áp dọc theo khe sẽ tuân theo quy luật sin, có nút điện áp ở cuối khe và bụng điện áp ở giữa khe. Vì điện áp giữa hai mép khe tỷ lệ với điện trường trong khe nên có thể thấy rằng phân bố của điện trường dọc theo khe cũng tuân theo quy luật sóng đứng.
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. 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.Trong khe sẽ hình thành điện trường từ tương ứng với dòng điện dịch và giữa hai mép khe sẽ phát sinh điện áp.Nếu chiều của khe vuông góc tương ứng với đường sức mật độ dòng điện mặt hình thành phần dòng điện dịch chảy ngang mép khe là cực đại, khe được kích thích mạnh nhất. Nếu đặt khe dọc 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.
Hình 1.7. Vị trí các khe trên thành ống dẫn sóng
Các khe trên thành ống dẫn sóng được bố trí khác nhau như hình 1.8:
Hình 1.8. Các kiểu anten khe trên ống dẫn sóng
Theo nguyên lý tương hỗ, anten khe - ống dẫn sóng có thể dùng làm anten phát cũng như anten thu. Cường độ trường bức xạ hoặc thu của khe phụ thuộc vào vị trí của khe trên thành ống dẫn sóng.
1.3.2.5. Anten loa
Anten loa được cấu tạo từ anten ống dẫn sóng, là kiểu anten bức xạ mặt đơn giản nhất. Lý thuyết về ống dẫn sóng biết rằng khi ống dẫn sóng truyền tới miệng ống dẫn sóng hở thì một phần năng lược của sóng sẽ phản xạ trở lại một phần năng lượng bức xạ ra không gian bên ngoài. Trường ở miệng ống là trường tổng hợp của sóng tới và sóng phản xạ. Nếu mở rộng kích thước miệng ống theo các phương án khác nhau thì sẽ nhận được các kiểu anten loa khác nhau.
Loa H
Ống dẫn sóng là ống chữ nhật và kích thước miệng ống được mở rộng trong mặt phẳng chứa vectơ từ trường được mở theo mặt H, viết tắt loa H.
Loa E
Ống dẫn sóng là hình chữ nhật và kích thước được mở rọng trong mặt phẳng chứa vectơ điện trường ta được loa mở theo mặt điện trường (loa E).
Hình 1.10. Loa E
Loa hình tháp
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.
Hình 1.11. Loa hình tháp
Loa hình nón
Ống dẫn sóng là hình tròn ta có loa hình nón.
Hình 1.12. Loa hình tròn
Hệ số hướng tính của anten loa được tính theo biểu thức
Trong đó:
S: diện tích của miệng loa.
V: hệ số sử dụng bề mặt miệng loa. Hệ số sử dụng của miệng loa luôn nhỏ hơn 1 do biên độ và pha của trường trên miệng loa khác nhau so với tâm loa.
Để tăng hệ số hướng tính của anten loa cần phải tăng kích thước miệng loa. Anten loa thường đưpực sử dụng làm anten bức xạ sơ cấp (bộ chiếu xạ) cho các loại anten có mặt bức xạ thứ cấp như anten parabol, anten cassegrain v.v… Nó cũng được sử dụng làm các anten độc lập trong các hệ thống thông tin vệ tinh. Khi đó kích thước của loa rất lớn.
1.3.2.6. Anten gƣơng
Nguyên lý làm việc của anten gương tương tự như nguyên lý làm việccủa gương quang học. Để thuận tiện chúng ta khảo sát hoạt động của anten gương ở chế độ phát sóng. Sóng sơ cấp với dạng mặt sóng và hướng truyền lan nhất định, sau khi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành sóng thứ cấp với dạng mặt sóng và hướng truyền lan biến đổi theo yêu cầu. Việc biến đổi này là nhờ hình dạng và kết cấu đặc biệt của mặt phản xạ (gọi là gương). Trong phần lớn các trường hợp gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu hoặc sóng trụ bức xạ từ nguồn sơ cấp với tính hướng kém thành sóng phẳng (hoặc gần phẳng) với năng lượng tập trung trong một không gian hẹp có tính hướng mong muốn. Nguồn bức xạ sơ cấp được gọi là bộ chiếu xạ. Gương phản xạ thứ cấp được dùng phổ biến nhất là gương parabol, một số sử dụng gương hypebol.
Anten gương parabol
Anten gương parabol được sử dụng phổ biến trong thông tin vi ba và thông tinvệ 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 hộ 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 phương parabol tròn xoay) hay một nguồn bức xạ thẳng dọc theo trục tiêu (gương parabol trụ).
Hình 1.13. Anten gương parabol
Anten hai gương: anten Cassegrain
Anten Cassegrain gồm một gương phản xạ parabol tròn xoay gọi là gương chính, một gương phản xạ hypebol còn gọi là gương phụ và bộ chiếu xạ dùng anten
loa. Bộ chiếu xạ được bố trí sao cho tâm loa nằm ở giữa đỉnh parabol. Gương phụ có hai tiêu điểm: một trùng với tiêu điểm của gương chính và một trùng với tâm pha của bộ chiếu xạ.Anten biến đổi sóng cầu từ bộ chiếu xạ thành sóng phẳng đồng pha ở miệng gương chính sau hai lần phản xạ liên tiếp tại gương phụ và gương chính.
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 ngay ở đỉnh gương chính nên rất thuận lợi cho việc cấp điện. Gương phản xạ phụ được lắp phía trước gương phản xạ chính nói chung có kích cỡ nhỏ hơn so với loa tiếp sóng và gây ra che tối ít hơn. 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 đều, giảm tính định hướng của anten.Hệ thống Cassegrain được sử dụng rộng rãi cho các trạm mặt đất.
Hình 1.14. Anten Cassegrain
Ante Gregorian
Một dạng khác của anten hai gương là anten Gregorian.Anten gồm một gương phản xạ parabol tròn xoay chính và một gương phản xạ phụ elip tròn xoay. Gương phản xạ 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. Hoạt động của hệ thống Gregorian có nhiều điểm giống như Cassegrain [10].
Hình 1.15. Anten Gregorian
KẾT LUẬN CHƢƠNG I
Mỗi một thiết bị vô tuyến điện đều phải có anten. Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng điện từ không gian bên ngoài được gọi là anten.Thiết bị phát có anten phát, thiết bị thu có anten thu.
Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Có rất nhiều loại anten khác nhau hiện đang được sử dụng,tùy vào tính chất của mỗi hệ thống thông tin vô tuyến người ta sử dụng các loại anten thích hợp. Ở chương I, tác giả đã đề cập đến một số loại anten được dùng phổ biền nhất. Trong đó, anten Yagi đượcứng dụng rộng rãi trêncác hệ thống thông tin vô tuyến. Anten này thường đơn giản về cấu trúc, chịuđược áp lực gió khi đặt trên cao và hoạt động của chúng có nhiều ưu điểm về thông số điện. Dựa trên phân loại về cấu tạo và ứng dụngcủa anten từ đó dẫn dắt tác giả đi sâu nghiên cứu về anten chấn tử đối xứng (cụ thể là anten Yagi) được trình bày trong chương II.
CHƢƠNGII
ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 2.1. Anten chấn tử đối xứng
2.1.1. Giới thiệu
Theo định nghĩa, chấn tử đối xứng là một cấu trúc gồm hai đoạn vật dẫn (hai chấn tử) có hình dạng và kích thước giống nhau.
Chấn tử đối xứng là một trong những nguồn bức xạ được sử dụng khá phổ biến trong kỹ thuật anten. Nó có thể được xem là một anten độc lập, hoàn chỉnh (anten chấn tử đối xứng), đồng thời trong nhiều trường hợp nó cũng là phần tử để kết cấu những anten phức tạp.
Anten chấn tử đối xứng được sử dụng rộng rãi trong dải sóng ngắn và cực ngắn. Trong dải sóng cực ngắn, hai chấn tử thường được làm từ các ống kim loại hoặc các bản kim loại dẹt, dẫn điện tốt, có độ dài tổng cộng bằng một nửa bước sóng (l = 1/2λ).Trong dải sóng ngắn, chấn tử thường được làm từ dây dẫn hợp kim hoặc lưỡng kim có độ dẫn điện tốt và sức bền cơ học cao. Độ cao của anten được
chọn tuỳ theo cự ly thông tin, thường trong khoảng từ 1/2λ ÷ λ.
Một trong những vấn đề cơ bản khi khảo sát các anten là xác định trường bức xạ tạo ra trong không gian, xác định các thông số như điện trở bức xạ, trở kháng vào của anten.
Điện trở bức xạ của một anten là một điện trở tương đương tiêu thụ cùng