111
ANTEN DÙNG TRONG THÔNG TIN VI BA

6.1 GIỚI THIỆU CHUNG

6.1.1 Các chủ đề được trình bày trong chương

- Yêu cầu và đặc điểm của anten trong thông tin vi ba
- Anten nhiều chấn tử
- Anten khe
- Nguyên lý bức xạ mặt
- Anten loa
- Các Anten gương

6.1.2 Hướng dẫn

- Hoc kỹ các phần được trình bày trong chương
- Tham khảo thêm [1], [2], [3]
- Trả lời các câu hỏi và bài tập

6.1.3 Mục đích của chương

- Nắm được yêu cầu và đặc điểm của anten trong thông tin vi ba
- Nắm được cấu tạo, nguyên lý làm việc và một số tham số của các loại anten sử dụng
trong thông tin viba.

6.2 ĐẶC ĐIỂM VÀ YÊU CẦU CỦA ANTEN DÙNG TRONG THÔNG TIN
VI BA


tới...
Do những đặc điểm nêu trên, anten dùng trong thông tin vi ba có các yêu cầu nhất định

6.2.3 Các yêu cầu đối với anten dùng trong thông tin vi ba

Tùy theo tính chất của mỗi hệ thống thông tin vô tuyến vi ba mà người ta sử dụng các loại
anten thích hợp, với các yêu cầu khác nhau. Với các hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp trên
mặt đất và thông tin vệ tinh thì anten phải có các yêu cầu:
- Hệ số khuếch đại phải lớn
Khi tần số công tác tăng thì tổn hao trong không gian tự do tăng, tổn hao trên fiđơ tăng.
Bởi vậy, khi tần số công tác tăng để bù vào tổn hao tă
ng đó thì hệ số khuếch đại của anten yêu cầu
phải tăng để giảm nhỏ công suất đồng thời giảm được can nhiễu cũng như tạp âm và giảm được
pha đinh do các tia phản xạ.
Ví dụ với tần số công tác 2 GHz yêu cầu hệ số khuếch đại của anten là 30 – 35 dBi; khi tần
số công tác là 4 GHz thì yêu cầu hệ số khuếch đại của anten là 39 – 43 dBi; khi tần số công tác là
6 GHz thì yêu cầu hệ
số khuếch đại của anten là 43 – 46 dBi...
- Búp sóng phụ phải nhỏ
Yêu cầu búp sóng phụ phải nhỏ để không gây nhiễu sang các hệ thống khác. Đồng thời
búp sóng phụ nhỏ thì hiệu suất làm việc của anten tăng dẫn đến hệ số khuếch đại tăng.
- Hệ số bảo vệ phải lớn
Trong hệ thống thông tin chuyển tiếp trên mặt đất ta thường quan tâm đến hệ
số bảo vệ ở
hướng ngược so với hướng chính (hướng bức xạ cực đại). Với các anten của hệ thống này, yêu
cầu hệ số bảo vệ vào khoảng 65 - 70 dB.
Trong hệ thống thông tin vệ tinh, hệ số bảo vệ thường được quy định cho các búp phụ ở
hướng bên cạnh để không gây can nhiễu cho các hệ thống vi ba trên mặt đất và các trạm vệ tinh
bên cạnh. Theo khuyến nghị
của CCIR đối với các anten có d/λ > 100, thì búp phụ bên có hệ số

tín hiệu có phổ tần rộng nên yêu cầu anten phải có dải tần rộng để không làm méo tín
hiệu.
- Anten phải có phối hợp trở kháng tốt với fiđơ hay ống dẫn sóng, để có hệ số sóng
chạy phải lớn hpn hoặc bằng 0,97.
- Anten phải có kết cấu vững chắc ch
ịu được gió bão, có các thiết bị bảo vệ chống sét,
mưa...
Để có được những yêu cầu trên, trong vi ba thường sử dụng nhiều loại anten khác nhau

6.3 ANTEN NHIỀU CHẤN TỬ

6.3.1 Anten dàn chấn tử

Trong nhiều trường hợp thông tin vô tuyến, năng lượng bức xạ cần được tập trung tối đa
về một phía. Điều đó có nghĩa là anten cần có đồ thị phương hướng đảm bảo tập trung năng lượng
trong búp sóng chính hẹp và giảm tối thiểu của các bức xạ nằm ngoài búp chính. Có thể thực hiện
được dạng đồ thị này bằng một dàn chấn tử.
Anten dàn chấ
n tử hay còn được 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 muố
n.
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 theo cột. Trường hợp dàn đơn giản
nhất bao gồm hai chấn tử đã được xét trong chương 5.
Dàn chấn tử đồng pha
Dàn chấn tử đồng pha được sử dụng ở băng sóng ngắn và băng sóng cực ngắn. Anten bao
gồm các chấn tử nửa sóng được sắp xếp thành hàng và cột trong mặt phẳng với khoảng cách giữa


Hình 6.1. Dàn chấn tử đồng pha

Ở hình 6.1a, chiều dòng điện chảy 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. Ở
hình 6.1b, với cách mắc song song từng cấp có thể dễ dàng nhận thấy rằng độ dài của đường fidơ

tiếp điện cho các chấn tử có giá trị như nhau, do đó pha của dòng điện tiếp cho các chấn tử của
dàn anten cũng giống nhau.
Dàn chấn tử đồng pha có đồ thị phương hướng tổng hợp giống như đồ thị phương hướng
của chấn tử nửa sóng nhưng do tập hợp nhiều chấn tử nửa sóng có pha giống nhau nên đồ thị
phương hướ
ng có búp sóng chính hẹp hơn nhiều và hệ số hướng tính lớn hơn nhiều so với chấn tử
nửa sóng đơn.
Trong thực tế, để nhận được bức xạ đơn hướng người ta thường kết hợp dàn chấn tử với một
mặt phẳng phản xạ hoặc một dàn chấn tử phản xạ. Mặt phản xạ có thể là mặt kim loại hoặc lướ
i
dây dẫn gồm các dây kim loại đặt song song nhau và đặt song song với dàn phát xạ ở một khoảng
cách d nhất định, d = (0,2- 0,25)λ. Dàn chấn tử phản xạ có thể làm việc ở chế độ chủ động hoặc
chế độ thụ động. Trong chế độ thụ động các chấn tử không nối với nguồn, dòng điện trong chúng
có được là do cảm ứng trường bức xạ của chấn t
ử chính. Việc điều chỉnh biên độ và pha dòng cảm
ứng được thực hiện nhờ một đoạn dây fiđơ ngắn mạch có độ dài biến đổi được. Trong chế độ chủ
động, dàn chấn tử phản xạ được nối với nguồn thông qua một bộ di pha, nhằm đảm bảo góc lệch
pha cần thiết của dòng điện giữa dàn phản xạ và dàn chính.

6.3.2 Anten Yagi

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 thích

ọn độ dài của P và khoảng cách từ A đến P thích hợp thì P sẽ trở thành chấn tử
phản xạ của A. Khi đó, năng lượng bức xạ của cặp chấn tử A - P sẽ giảm yếu về phía chấn tử P
(hướng -z) và được tăng cường ở hướng ngược lại (hướng + z). Tương tự, nếu chọn độ dài của
chấn tử D và khoảng cách A đến D thích hợp thì D s
ẽ trở thành chấn tử dẫn xạ của A. Khi ấy,
năng lượng bức xạ của hệ A - D sẽ hướng về chấn tử D (hướng + z) và giảm yếu về hướng ngược
lại (hướng -z). Kết quả năng lượng bức xạ của cả 3 chấn tử sẽ tập trung về một phía, hình thành
một kênh dẫn sóng dọc theo trục anten, hướng từ phía chấn tử ph
ản xạ P về phía chấn tử dẫn xạ D.
Việc tính toán chính xác kích thước của các chấn tử phản xạ và dẫn xạ là một bài toán phức
tạp, thông thường nó được tính toán theo thực nghiệm dựa trên những lý thuyết và kết quả đã biết.
Quan hệ về dòng điện trong chấn tử chủ động I
1
và chấn tử thụ động I
2
được biểu thị qua
biểu thức:

2
1
.
j
I
ae
I
=
ψ
(6.1)
với


kháng riêng X
22
do đó sẽ biến đổi được a và ψ. Quan hệ giữa a và ψ với X
22
khi chấn tử có độ dài
gần bằng nửa bước sóng công tác và khoảng cách d = λ /4 được biểu thị trên hình 6.3.
Khoảng cách d tăng thì biên độ dòng trong chấn tử thụ động giảm. Tính toán cho thấy
rằng, với d khoảng từ 0,1 đến 0,25λ thì nếu điện kháng của chấn tử mang tính cảm kháng sẽ nhận
Chấn tử
phản xạ
Chấn tử
chủ động
Chấn tử
dẫn xạ
D
A
P
z
-120
- 80 - 40 0
40
80
120
X
22
(Ω)
ψ
a
40 80 120
160

độ dài lớn hơn λ/2, còn chấn tử hướng xạ có độ dài nhỏ hơn λ/2.
Thông thường anten yagi chỉ có một chấn tử làm nhiệm vụ phản xạ, vì trường bức xạ về
phía chấn tử phản xạ đã bị chấn tử này làm yếu đáng kể, nếu có thêm một chấn tử nữa đặt tiếp
phía sau thì chấ
n tử phản xạ thứ hai sẽ có dòng cảm ứng rất yếu do đó ít tác dụng. Để tăng cường
hiệu quả phản xạ, trong một số trường hợp có thể sử dụng mặt phản xạ kim loại, lưới kim loại,
hoặc nhiều chấn tử đặt ở khoảng cách bằng nhau so với chấn tử chủ động, khoảng cách này
thường được chọn trong khoả
ng từ 0,15λ đến 0,25λ.
Trong khi đó, số chấn tử dẫn xạ có thể gồm nhiều chấn tử. Vì trường bức xạ của anten
được định hướng về phía các chấn tử dẫn xạ nên các chấn tử dẫn xạ tiếp theo vẫn được kích thích
với cường độ khá mạnh. Số chấn tử dẫn xạ có thể từ 2 tới vài chục. Khoảng cách giữa ch
ấn tử chủ
động với chấn tử dẫn xạ đầu tiên và giữa các chấn tử dẫn xạ kề nhau được chọn trong khoảng từ
0,1λ đến 0,35λ
Chấn tử chủ động thường sử dụng là chấn tử vòng dẹt vì hai lý do chính:
- Chấn tử vòng dẹt có chiều dài λ/2 nên tại điểm cấp điện có nút điện áp bởi vậy có thể
gắn trực tiếp chấn tử lên thanh kim loại mà không cần cách điện.
- Trở kháng vào của chấn tử vòng dẹt lớn (khoảng 300 Ω) nên thuờng tiện cho việc phối
hợp trở kháng với fide đối xứng.
Đồ thị phương hướng thực nghiệm của anten yagi gồm 8 chấn tử được chỉ ra trên hình 6.4,
đường liền nét vẽ trong mặt phẳng H (mặt phẳng vuông góc với các chấn tử); đườ
ng đứt nét vẽ
trong mặt phẳng E (mặt phẳng chứa các chấn tử).

gia vào quá trình bức xạ và được gọi là miền bức xạ. Khi thay đổi tần số công tác thì miền b
ức 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.
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 fide đối xứng hay cáp đồng trục, như chỉ ra trên hình
v
ẽ

Hình 6.5. Anten lôga-chu kỳ

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:

11
12 12
23 23
.. ...
nn
nn
dl
dd ll
dd d ll l
τ
− −
==== ====
(6.3)

l
5

l
4
l
3

l
2

l
1

Phiđơ
cấp điện
d
1

d
2

d
5
118
các chấn tử có độ dài lớn hơn nó). Các chấn tử nằm ở phía sau có độ dài lớn hơn độ dài cộng
hưởng nên trở kháng vào mang tính cảm kháng và dòng cảm ứng sớm pha hơn dòng trong chấn tử

, thì chấn tử cộng hưởng là chấn tử có chiều dài
1
l
, tương
ứng với
1
l
= λ
1
/2. Nếu tần số công tác giảm xuống là f
2
= τf
1
, suy ra λ
2
= λ
1
/τ thì chấn tử cộng
hưởng bây giờ có độ dài bằng
2
l
= λ
2
/2 = λ
1
/2τ =
1
l
/τ. Từ đó ta suy ra ở các tần số:


Nghĩa là khi anten công tác ở một tần số cho bởi công thức (6.4), trên anten sẽ xuất hiện
một miền bức xạ mà chấn tử phát xạ chính có độ dài xác định theo công thức (6.5).
Như vậy miền bức xạ trên anten logarit chu kỳ sẽ dịch chuyển khi tần số công tác thay đổi,
nhưng hướng bức xạ cực đại của anten vẫn giữ nguyên.
Nếu lấy logarit biểu thức (6.4) ta nhận được: ( )
1
ln 1 ln ln
n
f nf
τ
=− +
(6.6)

Nghĩa là khi biểu thị tần số theo logarit thì tần số cộng hưởng của anten sẽ thay đổi một
lượng bằng lnτ. Vì vậy anten được gọi là anten logarit chu kỳ.
Đồ thị phương hướng của anten được xác định bởi số chấn tử của miền bức xạ tác dụng
(thường vào khoảng từ 3 ÷ 5) và bởi tương quan biên độ và pha của dòng điện trong các chấn tử

ấy. Các đại lượng này phụ thuộc vào thông số hình học chu kỳ τ và góc mở anten α, chỉ ra trên 119
hình 6.6. Khi tăng τ, (cố định α), đồ thị phương hướng hẹp lại vì lúc đó sẽ tăng số chấn tử của
miền bức xạ tác dụng. Nhưng nếu tăng τ quá quá lớn thì tính hướng lại xấu đi vì lúc ấy kích thước
của miền bức xạ tác dụng lại giảm do các chấn tử quá gần nhau. Khi giảm α (cố định τ) đến m
ột
giới hạn nhất định đồ thị phương hướng sẽ hẹp lại vì khi ấy khoảng cách giữa các chấn tử lại tăng


H×nh 6.6. Quan hÖ gi÷a 2θ
1/2
víi c¸c th«ng sè τ vμ α
6.4 ANTEN KHE

0 10 20 30 40
α
o
50
60
70
80
90
100
110
120
140
130
2
θ
1/2

τ

Mặt phẳng H120
Anten khe được sử dụng chủ yếu ở băng vi ba. Trong thực tế khe bức xạ có 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....kích thước của mặt kim loại có thể khá lớn so với
bước sóng nhưng cũng có thể chỉ vào khoảng vài bước sóng công tác.

6.4.1 Anten khe nửa sóng

Nếu trên thành ống dẫn sóng hay hốc cộng hưởng cắt một khe hẹp có chiều dài bằng một
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. Điện áp giữa hai mép khe bằng tích c
ủa 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
2

(6.8)
Ở đây
2
l
λ
=
chiều dài khe;
U
bkhe
= U
0khe
là điện áp ở điểm bụng sóng đứng phù hợp với điện áp điểm giữa của khe
khi
2
l
λ
=
.
E
x
z
λ/2

y
Hình 6.7. Anten khe nửa sóng
121
z

và H
θ
với chiều dài khe
l

kl kl
os os os
22
sin
kl kl
os os os
22
sin
ikr
bkhe
ikr
bkhe
cc c
U
Ei e
r
cc c
U
Hi e
Zr
ϕ
θ
θ
πθ
θ

=
, thay vào công thức trên, ta được:
0
0
os os
2
sin
os os
2
sin
ikr
khe
ikr
khe
cc
U
Ei e
r
cc
U
Hi e
Zr
ϕ
θ
π
θ
πθ
π
θ
πθ


122
6.4.2 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. Thông thường
khi dùng ống dẫn sóng chữ nhật thì kiểu sóng kích thích là sóng H
10
còn với ống dẫn sóng tròn
kiểu sóng kích thích là sóng H
11
. Khi có sóng điện từ truyền lan trong ống, ở mặt trong của thành
ống sẽ có dòng điện mặt. Véc tơ mật độ dòng điện mặt được xác định bởi biểu thức:

[ ]
e
x
JnxH=
(6.12)
Trong đó
n
là vectơ pháp tuyến mặt trong của thành ống, H là vectơ cường độ từ trường
trên bề mặt thành ống.
Khi truyền sóng H
10
trong ống dẫn sóng chữ nhật, vectơ từ trường có hai thành phần
0
0
x
os

λ
=
hệ số pha của sóng trong ống dẫn sóng; a là chiều rộng của 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 H
z

gây ra thành phần ngang J
x
, J
y
còn từ trường ngang H
x
gây ra thành phần dọc J
z
. Phân bố
của các thành phần dòng điện ngang J
x
, J
y
và dòng điện dọc J
z
được chỉ trong hình 6.9:


)
(b)