CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1 Giới thiệu về Anten 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten Anten là những hệ thống cho phép truyền và nhận năng lượng điện từ. Anten có thể được xem như là các thiết bị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất kỳ phương tiện truyền dẫn tập trung nào như: cáp đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang. Trong nhiều ứng dụng, các anten có thể cạnh tranh với các phương tiện truyền dẫn khác để phát và chuyển tải năng lượng trường điện từ. Thông thường suy hao trường điện từ trong các vật liệu sẽ tăng nhanh theo tần số.
Điều này được hiểu ngầm rằng, khi tần số tăng thì việc dùng các phần dẫn sóng bằng vật liệu sẽ kém thuyết phục và kém hiệu quả trong việc chuyển tải năng lượng trường điện từ. Do đó thực tế anten được ưa chuộng hơn trong việc chuyển tải các trường điện từ ở tần số cao.2 Giới thiệu hệ thống thu phát Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên lạc dùng anten được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.1 là sơ đồ hệ thống thu phát đơn giản.1: Sơ đồ hệ thống thông tin 12 Ở hệ thống phát anten đóng vai trò như là thành phần bức xạ sóng điện từ, nó chuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian. Khi đến anten thu thì năng lượng điện từ được biến đổi thành tín hiệu điện ở máy thu, ở đây tín hiệu được trả về dạng ban đầu của nó.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện bằng hai con đường. Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, v.v… “chuyên chở” sóng điện từ trực tiếp trên đường truyền dưới dạng dòng điện.
Sóng điện từ lan truyền trong hệ thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến). Cách truyền này tuy có độ chính xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền. Hơn nữa với khoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp không thể xây dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay thế bằng cách cho sóng điện từ bức xạ ra môi trường tự do. Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến nơi thu.
Vậy cần phải có một thiết bị phát sóng điện từ ra không gian cũng như thu nhận sóng điện từ từ không gian, để đưa vào máy thu. Loại thiết bị này được gọi là anten. Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, vì đã là hệ thống vô tuyến có nghĩa là hệ thống đó có sử dụng sóng điện từ, thì không thể không dùng đến thiết bị bức xạ hoặc thu sóng điện từ. Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau.Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang, để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu của đài phát.
Song anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết. 13 Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến điều khiển… thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten Những yêu cầu cơ bản đối với anten được xác định bởi nhiệm vụ của thiết bị vô tuyến điện, chẳng hạn yêu cầu về: − Tính định hướng Anten của các đài truyền thanh, truyền hình phải phát xạ đều theo mọi phía dọc mặt đất, còn trong radar thông tin cần phải phát xạ trong một hình quạt hẹp nhằm để tập trung năng lượng về phía đài đối. Anten cũng phải có tính chất thu định hướng, cùng với độ chọn lọc của máy thu, tính chọn lọc theo hướng của anten là phương tiện chống nhiễu có hiệu quả. − Phối hợp trở kháng Anten phải bảo đảm phát và thu năng lượng cực đại.
Do đó mà có thể xem anten như một thiết bị phối hợp giữa fide và không gian tự do − Dải tần Dao động điện từ biến điệu mang tin tức từ máy phát qua fide tới anten. Để thông tin không bị méo, anten phải có một dải tần nhất định. Để chống nhiễu thường dùng phương pháp chuyển tần số công tác hoặc để phù hợp với điều kiện chuyển sóng mà các đài liên lạc sóng ngắn phải làm việc ở các dải tần số khác nhau vào ban ngày và ban đêm. Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau mà không có sự thay đổi đáng kể về chất lượng.
− Tính phân cực Tính phân cực cũng phải tùy yêu cầu cụ thể. Chẳng hạn anten phải đặt trên vật thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính (hướng vectơ điện trường không thay đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực tròn hay phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động vẽ nên đường tròn hay elip). 14 Ngoài ra, để đảm bảo khả năng thông tin theo kiểu tán xạ từ các miền bất đồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của anten phải thay đổi theo một chương trình nhất định. Để đánh giá được anten thực hiện nhiệm vụ và thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật đề ra như thế nào ta thường dùng các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten sau đây: – Nhóm các đặc trưng: Đặc trưng hướng, đặc trưng pha, đặc trưng phân cực.
– Nhóm các tham số: Hệ số tác dụng định hướng, hiệu suất, hệ số khuếch đại, chiều dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng, trở kháng vào… 1.5 Các loại Anten Trong thực tế ta thường gặp một số loại anten như: Anten dây (thanh) anten khe, anten vi dải, anten phản xạ, anten thấu kính, và hệ thống bức xạ.2: Các loại anten 15 Hình 1.3: Hệ thống bức xạ 1.2 Lý thuyết cơ bản về Anten 1.1 Quá trình bức xạ sóng điện từ Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có khả năng bức xạ sóng điện từ. Tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ sóng điện từ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định. Để ví dụ ta xét một mạch dao động có kích thước rất nhỏ so với bước sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện sẽ phát sinh một điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh một từ trường biến thiên.
Những điện trường, từ trường này hầu như không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch. Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điện nên năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm. Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của mạch.
16 Nếu mở rộng kích thước của tụ điện (hình 1.4b) thì dòng điện dịch sẽ không chỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽ lan tỏa ra môi trường ngoài và có thể truyền tới những điểm nằm cách xa nguồn (nguồn điện trường là các điện tích biến đổi trên hai má tụ điện). Nếu mở rộng hơn nữa kích thước của tụ điện (hình 1.4 c, d) thì dòng điện dịch sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là không còn liên hệ với các điện tích trên hai má tụ điện nữa. Thật vậy, nếu ta quan sát các đường sức điện trường ở gần tụ điện thì thấy chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là các điện tích trên hai má tụ điện.
Do đó giá trị của điện trường ở những điểm nằm trên đường sức ấy sẽ biến thiên đồng thời với sự biến thiên của điện tích trên hai má tụ điện.4: Ví dụ về mạch dao động tập trung Nhưng nếu xét một điểm M cách xa nguồn thì có thể thấy rằng tại một thời điểm nào đó, điện trường tại M có thể đạt một giá trị nhất định trong lúc điện tích trên hai má tụ điện biến đổi qua lại giá trị 0. Khi ấy các đường sức điện trường sẽ không còn ràng buộc với các điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian, nghĩa là đã hình thành một trường xoáy. Theo quy luật của điện trường biến thiên thì điện trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường này sẽ tiếp tục tạo ra một điện trường xoáy, nghĩa là đã hình thành một quá trình sóng điện từ. 17 Phần năng lượng thoát ra ngoài và truyền đi trong không gian tự do được gọi là năng lượng bức xạ hay năng lượng hữu công.
Phần năng lượng điện từ ràng buộc với nguồn sẽ dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc tạo thành sóng điện từ, được gọi là năng lượng vô công. Ta nhận thấy rằng, một hệ thống bức xạ điện từ có hiệu quả là một hệ thống mà trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có khả năng thâm nhập được nhiều vào không gian bên ngoài. Để tăng cường khả năng bức xạ của các hệ thống, ta cần mở rộng hơn nữa không gian bao trùm của các đường sức điện trường. Dipole Hertz là một cấu trúc bức xạ có hiệu quả.
Nó được hình thành từ các hệ thống điện từ nói trên với sự biến dạng hai tấm kim loại của tụ điện thành hai đoạn dây dẫn mảnh và hai quả cầu kim loại ở hai đầu. Dipole Hertz là một trong các nguồn bức xạ đơn giản nhất và là phần tử để cấu trúc thành các anten dây phức tạp.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ Giả sử sóng điện từ truyền lan trong môi trường không tổn hao.