Nguyên lý bức xạ và đặc tính của anten xoắn lò xo là những khái niệm quan trọng trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ không dây. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách thức hoạt động của nguyên lý bức xạ, cấu tạo và các đặc tính vượt trội của anten xoắn lò xo.
Xem thêm:
1. Thông số của Anten xoắn lò xo
Một lưu ý là khi khoảng cách giữa 2 vòng liên tiếp S tiệm cận đến 0 ( \(\alpha= 0^o\), giữ nguyên đường kính), khối helix sẽ dần trở thành một ăngten lặp (Loop). Còn khi chu vi của hình Xoắn ốc co lại về 0 ( \alpha= 90^o , giữ nguyên khoảng cách S giữa 2 vòng), khối helix sẽ dần trở thành một ăngten tuyến tính, trong trường hợp này sẽ trở thành một ăngten đơn cực. (Monopole antenna).
2. Nguyên lý bức xạ, đặc tính
Nguyên lý bức xạ của anten xoắn lò xo được dựa trên cấu trúc xoắn ốc của nó. Khi dòng điện xoay chiều được áp dụng vào anten xoắn lò xo, nó tạo ra một dạng sóng điện từ xoắn theo chiều dọc của anten.
Quá trình này xảy ra do tương tác giữa các vòng xoắn của anten. Dòng điện đi qua từng vòng xoắn và tạo ra một lưu trữ điện từ tạo thành một mô hình xoắn. Điều này dẫn đến tạo ra một trường từ xoắn trong không gian xung quanh anten.
Tính xoắn trong trường từ này tạo ra một dạng sóng điện từ không phẳng, thay vì chỉ diễn ra theo phương ngang hoặc dọc. Điều này tạo ra một mô hình bức xạ đặc biệt cho anten xoắn lò xo. Anten xoắn lò xo có thể có một số hướng bức xạ khác nhau, phụ thuộc vào thiết kế cụ thể và đặc tính của nó. Điều này cho phép anten xoắn lò xo có khả năng tạo ra các mô hình bức xạ đặc biệt và phân bố tín hiệu theo các hướng cụ thể. Cụ thể là 2 chế độ: Chế độ thường và Chế độ trục.
2.1 Chế độ thường (Normal Mode)
Chế độ này được tìm ra từ trước và được nghiên cứu bởi Harold A. Wheeler
Chế độ hoạt động này còn được gọi là chế độ hoạt động vuông góc vì trong chế độ này, bức xạ cực đại được phát ra từ mặt phẳng theo hướng vuông góc với trục chính của ăngten.
Điều kiện hoạt động ở chế độ thường
Để hoạt động ở chế độ thường, dòng điện qua chiều dài xoắn ốc cần không đổi về độ lớn và pha. Điều này có thể được thỏa mãn trong một khoảng rộng với điều kiện tổng chiều dài dây xoắn \(L_n= nL\) (Không nhầm lẫn với chiều dài A của khối Xoắn) rất bé so với bước sóng \((L_n≪λ_0)\) và điểm cuối của nó được kết nối chính xác để giảm các phản xạ.
Đặc điểm băng thông và hiệu suất bức xạ
Vì sự phụ thuộc mạnh của đặc tính bức xạ vào các kích thước hình học, những kích thước phải rất bé so với bước sóng, nên chế độ này có băng thông rất hẹp và hiệu suất bức xạ nhỏ.
Miêu tả hoạt động bức xạ
Tại chế độ thường các thông số của hình Xoắn đều co lại, dòng điện qua chiều dài của nó có thể coi như không đổi và đồ thị trường Far-field độc lập với số vòng dây và tỉ lệ dipole. Vì thế hoạt động bức xạ của ăngten có thể được miêu tả chính xác bằng tổng của các trường bức xạ của một vòng nhỏ đường kính D và xấp xỉ về một ăngten đơn cực chiều dài S với trục vuông góc với mp đất và mỗi vòng có dòng điện không đổi như nhau.
Để hiểu đơn giản, ta cho chu vi khối Xoắn \(C≪ λ_0\) đồng thời đảm bảo \(C≪ λ_0\) . Khi đó ăngten hoạt động tương tự như ăngten đơn cực (monopole), với kiểu bức xạ đa hướng và phát ra công suất bằng nhau theo mọi hướng (lan tỏa) vuông góc với trục của ăngten.
2.2 Chế độ trục (Axial Mode)
Chế độ axial của một ăngten Xoắn đề cập đến hướng phân bố trường điện trong mặt phẳng vuông góc với trục ăngten, vô tình được tìm ra bởi John D. Kraus như đã nói ở chương I.
Chế độ hoạt động End-Fire
Chế độ hoạt động end-fire là một chế độ phổ biến trong ăngten Xoắn và được sử dụng trực tiếp trong thực tế. Trong chế độ này, anten xoắn được thiết kế để tạo ra một búp sóng chính tập trung và có cường độ bức xạ cao nhất theo hướng trục xoắn ốc, các búp sóng phụ sẽ ở hướng xiên so với trục. Điều này có nghĩa là hiệu suất bức xạ của anten là tối đa khi hướng tới một hướng cụ thể.
Điều kiện để đạt được chế độ End-Fire
Để đạt được chế độ này, đường kính D và khoảng cách S phải khá lớn, bằng 1 phần bước sóng.Để đạt được phân cực tròn, chủ yếu ở búp sóng chính, chu vi xoắn ốc C phải trong khoảng \(\frac{3}{4} < \frac{C}{λ_0} < \frac{4}{3}\) với \(\frac{c}{λ_0} =1 \) là tối ưu), và khoảng cách S \(≃ \frac{λ_0}{4}\) . Góc thường nằm trong khoảng từ 12° ≤ ≤ 14°. Trong hầu hết các trường hợp ăngten được sử dụng kết hợp với một mp đất có đường kính bé nhất là \(\frac{λ_0}{2}\) và được tiếp điện bởi một cáp đồng trục. Tuy nhiên, có các cách tiếp điện khác (ví dụ: ống dẫn sóng và thanh điện môi, đặc biệt ở dải tần sóng cực ngắn). Kích cỡ của xoắn ốc cho chế độ này không quá quan trọng, vì vậy băng thông sẽ lớn hơn.
Mô hình bức xạ End-Fire
Mô hình bức xạ end-fire của ăngten Xoắn là hình tròn hoặc gần tròn. Yếu tố khác biệt quan trọng giữa chế độ thường và chế độ trục là chế độ thường bức xạ cực đại theo hướng lan tỏa vuông góc xung quanh với trục còn chế độ trục bức xạ cực đại nằm đúng theo hướng trục. Không giống như chế độ thường, chế độ này của ăngten Xoắn tạo ra chùm tia mạnh và có tính định hướng cao nằm trọn theo hướng trục.
Trên thực tế, khối Xoắn được thiết kế cần đảm bảo chu vi (C) xấp xỉ một bước sóng và khoảng cách giữa các vòng xoắn (S) là \(\frac{λ}{4}\) .
Công thức gần đúng cho anten xoắn lò xo
Độ dài hoàn chỉnh của chuỗi xoắn quyết định số tăng ích và băng thông của nó. Các công thức gần đúng cho một ăngten Xoắn hoạt động ở chế độ trục với các tham số: \(\frac{3}{4} < \frac{C}{λ} < \frac{4}{3}\) ; \(12^0 < α <14^0\) ; n >3 (vòng)
Độ rộng búp sóng nửa công suất: HPBW \(≅ \frac{65^0}{(C∕λ)⋅√n (^{S}⁄_{λ})}\)
Độ rộng giữa các bức xạ “không” đầu tiên: BWFN \(≅ \frac{115^0}{(C∕λ)⋅√n (^{S}⁄_{λ})}\)
Hệ số định hướng: D \(≅ \frac{6.2C^2 S}{λ^3}\)
Hệ số trục: AR = \(\frac{(2N+1)}{2N}\);
Điện trở vào: \(R_A=140(\frac{C}{λ})(Ω).\)
“Nguyên lý bức xạ và đặc tính của anten xoắn lò xo” mang đến cái nhìn sâu sắc về một loại anten với nhiều ứng dụng thực tiễn trong viễn thông và công nghệ không dây. Chế độ axial và chế độ end-fire, hai chế độ hoạt động quan trọng, thể hiện rõ tiềm năng của anten xoắn trong việc tối ưu hóa hiệu suất bức xạ. Với khả năng tạo ra các búp sóng tập trung và định hướng cao, anten xoắn là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và hiệu quả cao. Hiểu rõ về các nguyên lý và đặc tính này không chỉ giúp tối ưu thiết kế mà còn mở ra cơ hội khai thác triệt để công nghệ anten xoắn trong các hệ thống hiện đại.
Bài viết liên quan:
