Ăng-ten là một thiết bị truyền thông, được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu nhằm biểu diễn thông tin. Chiếc ăng-ten đầu tiên được người Đức phát minh vào năm 1888 và được sử dụng cho mục đích truyền thông không dây . Những ăng-ten này có thể phát cả tín hiệu vi sóng và sóng radio. Có nhiều loại ăng-ten khác nhau được phân loại dựa trên ứng dụng của chúng như ăng-ten dây, ăng-ten logarit tuần hoàn, ăng-ten khẩu độ, ăng-ten vi mạch, ăng-ten phản xạ, ăng-ten thấu kính, ăng-ten mảng và ăng-ten sóng truyền. Vì vậy, việc hiểu rõ từng loại ăng-ten và mục đích sử dụng của nó là điều bắt buộc để sử dụng chúng trong các ứng dụng phù hợp. Vì vậy, bài viết này sẽ trình bày tổng quan về một trong những loại ăng-ten dây, cụ thể là ăng-ten lưỡng cực , và nguyên lý hoạt động cùng các ứng dụng của nó.

Ăng-ten lưỡng cực là gì?

Ăng-ten lưỡng cực là một loại ăng-ten tần số vô tuyến (RF) bao gồm hai phần tử dẫn điện như dây hoặc thanh, trong đó chiều dài dây kim loại xấp xỉ bằng một nửa bước sóng dài nhất trong không gian tự do ở tần số hoạt động. Ở trung tâm của ăng-ten, các vật liệu dẫn điện được ngăn cách bởi một chất cách điện, được gọi là phần ăng-ten. Sơ đồ ăng-ten lưỡng cực được thể hiện bên dưới.

Nguồn điện áp RF được cấp vào giữa anten, sau đó điện áp và dòng điện cung cấp cho hai phần tử dẫn điện tạo ra tín hiệu điện từ hoặc tín hiệu vô tuyến, và tín hiệu này được bức xạ ra bên ngoài anten. Tại tâm của anten này, điện áp là nhỏ nhất và dòng điện là lớn nhất, trong khi đó điện áp lớn nhất và dòng điện nhỏ nhất xảy ra ở hai đầu của anten lưỡng cực.

Thiết kế ăng ten lưỡng cực

Ăng-ten lưỡng cực bao gồm hai phần tử dẫn điện như dây dẫn hoặc thanh dẫn, trong đó dây dẫn ở giữa và các phần bức xạ của ăng-ten nằm ở hai bên. Chiều dài của dây dẫn kim loại bằng một nửa bước sóng dài nhất, tức là λ/2 trong không gian tự do ở tần số hoạt động. Sơ đồ cơ bản của ăng-ten lưỡng cực với điểm cấp nguồn ở giữa được thể hiện bên dưới.

Phần tử dẫn điện trong anten được chia làm hai phần ở giữa bằng một chất cách điện, được gọi là đoạn anten. Hai đoạn này được nối đơn giản với một cáp đồng trục hoặc dây dẫn ở giữa anten. Chúng ta biết rằng bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm cao nhất hoặc thấp nhất liên tiếp.

Ở đây, chiều dài phần tử bức xạ có thể được xác định bởi một số đặc tính của anten như tần số hoạt động trung tâm, trở kháng cấp nguồn, v.v. Trong loại anten này, chiều dài của lưỡng cực là một thông số quan trọng.

Bất kỳ loại anten nào cũng có thể hoạt động để phát hoặc nhận tín hiệu. Trong nhiều ứng dụng không dây, anten có thể được kích hoạt ở giữa bộ phát và bộ thu.

Máy phát ăng ten lưỡng cực

Tại bộ phận phát, ăng-ten lưỡng cực tạo ra sóng vô tuyến. Một điện áp ở tần số mong muốn được cung cấp cho ăng-ten. Do đó, điện áp đặt vào các phần tử của ăng-ten này và dòng điện chạy qua chúng sẽ tạo ra cả sóng điện từ và sóng từ.

Bộ phát trong ăng-ten là yếu tố cơ bản được tạo ra từ dây dẫn. Ở đây, dây dẫn mang dòng điện, cường độ dòng điện sẽ dao động theo thời gian và chuyển hóa thành bức xạ tần số vô tuyến (RF) truyền trong không gian.

Bộ thu ăng ten lưỡng cực

Tại bộ phận thu, sóng điện từ truyền qua ăng-ten lưỡng cực sẽ tạo ra một điện áp nhỏ. Kết quả là, ăng-ten sẽ trở thành nguồn tín hiệu cho đầu vào của bộ thu.

Bộ thu của ăng-ten thực hiện hoạt động ngược lại của bộ phát. Nó thu bức xạ tần số vô tuyến (RF) và chuyển đổi nó thành dòng điện trong mạch điện được kết nối với ăng-ten.

Ăng-ten lưỡng cực hoạt động như thế nào?

Khi nguồn điện áp RF được đặt vào giữa hai phần của anten, dòng điện và điện áp chạy qua hai phần tử dẫn điện này có thể tạo ra tín hiệu sóng điện từ hoặc sóng vô tuyến để phát ra ngoài anten.

Ở trung tâm của ăng-ten này, điện áp là nhỏ nhất và dòng điện là lớn nhất. Ngược lại, dòng điện là nhỏ nhất và điện áp là lớn nhất ở hai đầu của ăng-ten. Đây là sự phân bố dòng điện của ăng-ten lưỡng cực.

Sơ đồ mẫu bức xạ của anten lưỡng cực được thể hiện bên dưới, vuông góc với trục của anten. Mẫu bức xạ là hình ảnh đồ họa mô tả các đặc tính bức xạ của anten. Mẫu bức xạ của anten sẽ mô tả cách anten phát ra năng lượng vào không gian.

Như vậy, ăng-ten này chuyển đổi tín hiệu từ điện sang điện từ tần số vô tuyến (RF) và phát ra chúng ở đầu phát, đồng thời chuyển đổi tín hiệu điện từ tần số vô tuyến (RF) thành tín hiệu điện ở đầu thu.

Các loại ăng-ten lưỡng cực khác nhau

Các loại ăng-ten lưỡng cực khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu, chẳng hạn như ăng-ten nửa sóng, nhiều nửa sóng, lưỡng cực gấp khúc, lưỡng cực ngắn và không cộng hưởng.

Ăng-ten lưỡng cực nửa sóng

Ăng-ten lưỡng cực nửa sóng là loại ăng-ten có chiều dài lưỡng cực bằng một nửa bước sóng ở tần số hoạt động. Đôi khi, loại ăng-ten này cũng được gọi là ăng- ten Hertz . So với các loại ăng-ten khác, ăng-ten này có cấu trúc cộng hưởng đơn giản hơn, do đó được sử dụng cho mục đích truyền và nhận trong nhiều ứng dụng khác nhau. Tần số hoạt động của ăng-ten này nằm trong khoảng từ 3 kHz đến 300 GHz.

Ưu điểm của ăng-ten lưỡng cực nửa sóng là chúng không nặng, tiết kiệm chi phí, trở kháng đầu vào tương tự như trở kháng đầu vào của đường truyền, v.v. Nhược điểm của ăng-ten nửa sóng là nó là một ăng-ten độc lập, do đó nó có thể được sử dụng làm phần tử cơ bản cho các loại ăng-ten khác hoạt động ở tần số cực cao và có đặc tính bức xạ đa hướng. Loại ăng-ten này chủ yếu được sử dụng trong máy thu sóng truyền hình và radio.

Ăng-ten lưỡng cực gấp

Một loại ăng-ten gồm hai lưỡng cực được nối riêng biệt với nhau để tạo thành một vòng dây mỏng, được gọi là ăng-ten kiểu gấp. Như tên gọi cho thấy, loại ăng-ten lưỡng cực này được gấp lại và bao gồm hai lưỡng cực nửa sóng, trong đó một lưỡng cực liên tục và lưỡng cực còn lại bị tách ra ở giữa. Chúng được gấp lại và nối song song với nhau ở hai đầu.

Mô hình bức xạ của ăng-ten lưỡng cực gấp khúc tương tự như ăng-ten lưỡng cực thông thường, ngoại trừ trở kháng đầu vào cao hơn và độ định hướng là hai chiều. Lý do chính để sử dụng loại ăng-ten này là do trở kháng cấp nguồn cao và băng thông rộng. Vì vậy, các ăng-ten này được sử dụng độc lập, như một phần cơ bản của các ăng-ten khác và cũng để cung cấp băng thông cao. Các ăng-ten này có sẵn ở dạng hai dây và ba dây.

Ăng-ten lưỡng cực ngắn

Ăng-ten lưỡng cực có chiều dài ngắn hơn một nửa bước sóng được gọi là ăng-ten lưỡng cực ngắn. Đây là một loại ăng-ten dây đơn giản, trong đó một đầu hở mạch và đầu kia được cấp nguồn từ nguồn điện xoay chiều. Dải tần số hoạt động của ăng-ten này nằm trong khoảng từ 3 kHz đến 30 MHz, do đó nó thích hợp cho các bộ thu tín hiệu tần số thấp.

Chiều dài của ăng-ten này ngắn hơn bước sóng. Một nguồn điện áp được kết nối đơn giản ở một đầu, tạo thành hình dạng lưỡng cực sao cho các đường dây kết thúc ở đầu còn lại.

Sơ đồ ăng-ten được hiển thị ở trên, bao gồm cả chiều dài 'L'. Kích thước ăng-ten ban đầu không quan trọng, nhưng dây dẫn đến ăng-ten phải nhỏ hơn 1/10 bước sóng. Vì vậy,

L<λ/10

Trong đó chiều dài dây của lưỡng cực ngắn là 'L' và bước sóng là 'λ'.

Ăng-ten lưỡng cực FM

Ăng-ten lưỡng cực FM rất dễ chế tạo theo nhiều cách khác nhau với chi phí thấp. Vì vậy, loại ăng-ten này là giải pháp lý tưởng cho việc lắp đặt ăng-ten FM trong nhà trên mái nhà hoặc gác mái. Chúng có thể được sử dụng khi cần một ăng-ten tạm thời. Đây là loại ăng-ten lưỡng cực nửa sóng phân cực theo chiều dọc, thường được sử dụng để thu sóng FM VHF tốt hơn. Nói chung, loại ăng-ten này chủ yếu được sử dụng cho phát sóng FM với dải tần từ 88 MHz đến 108 MHz.

Ăng-ten lưỡng cực hình quạt

Loại anten này còn được gọi là anten lưỡng cực song song hoặc hình quạt. Đây là loại anten dây đa băng tần, do đó việc thiết kế rất đơn giản. Thông thường, anten này bao gồm nhiều anten lưỡng cực dùng chung một đường dây cấp nguồn đồng trục. Mỗi anten lưỡng cực phải được thiết kế sao cho tâm của các băng tần gần đúng mà bạn muốn cộng hưởng.

Sau khi tín hiệu được truyền đi, chỉ có phần tử cộng hưởng cho dải tần đó được quan sát qua radio của bạn, vì các lưỡng cực còn lại có trở kháng cao hơn. Thiết kế cơ khí của ăng-ten này không quá quan trọng vì nó có thể được bố trí theo hình chữ V ngược, thậm chí theo chiều ngang.

Một số cách bố trí tận dụng lợi thế của các dây dẫn trải rộng liền kề theo các hướng khác nhau. Nói chung, một số phần tử gần nhau có thể gây nhiễu lẫn nhau, đặc biệt là khi chúng được kết nối quá chặt chẽ. Thông thường, việc điều chỉnh ăng-ten này cần phải tinh chỉnh các phần tử một cách cẩn thận để đạt được cộng hưởng trên các dải tần khác nhau.

Độ lợi của ăng ten lưỡng cực

Độ lợi anten là một loại thông số được sử dụng để đo mức độ định hướng của mô hình bức xạ của anten. Một anten có độ lợi cao sẽ bức xạ đặc biệt theo một hướng cụ thể. Độ lợi anten là một hiện tượng thụ động, trong đó công suất không được truyền qua anten, mà chỉ đơn giản là được phân bổ lại để tạo ra công suất bức xạ bổ sung theo một hướng cụ thể. Độ lợi của anten có thể được đo bằng dBi và dBd.

Độ lợi của anten đẳng hướng được đo bằng dBi.

Độ lợi của anten lưỡng cực được đo bằng dBd.

Mối quan hệ chính giữa dBd và dBi được thể hiện như sau.

dBi = dBd + 2,15

Khi xác định độ lợi của anten, người thiết kế phải xem xét đến ứng dụng của anten.

Ăng-ten có độ khuếch đại cao mang lại nhiều lợi ích như chất lượng tín hiệu tốt hơn, phạm vi hoạt động xa hơn, v.v.

Ăng-ten có độ khuếch đại thấp hơn sẽ có phạm vi hoạt động ngắn hơn; tuy nhiên, hướng đặt ăng-ten không ảnh hưởng nhiều đến điều này.

Độ lợi của anten lưỡng cực có thể được tính bằng dBd so với một anten lưỡng cực tham chiếu. Độ lợi của anten lưỡng cực tham chiếu là 2,15 dBi. Vì vậy, việc chuyển đổi giữa dBi và dBd rất đơn giản bằng cách cộng hoặc trừ 2,15 dựa trên công thức này: dBi = dBd + 2,15.

Bước sóng của ăng-ten lưỡng cực

Bước sóng của anten có thể được tính toán từ công thức tần số.

Tần số (f) = C/λ

Từ phương trình trên, có thể suy ra bước sóng.

λ = C/f

Ở đâu:

'C' là tốc độ ánh sáng.

'f' là tần số.

Sự khác biệt giữa ăng-ten lưỡng cực và ăng-ten đơn cực

Sự khác biệt giữa ăng-ten lưỡng cực và ăng-ten đơn cực bao gồm những điểm sau.

Thuận lợi

Những ưu điểm của ăng-ten lưỡng cực bao gồm:

• Sự đơn giản là ưu điểm chính của loại ăng-ten này.
• Chúng cực kỳ hiệu quả khi được sử dụng ở tần số cộng hưởng.
• Kích thước khe hở của lưỡng cực không ảnh hưởng đến hiệu suất của anten.
• Chúng có khả năng truyền và nhận tín hiệu theo mọi hướng.
• So với ăng-ten đơn cực dạng ống lồng, ăng-ten lưỡng cực dạng ống lồng cho phép bạn thu được dải tần rộng hơn.
• Mô hình bức xạ của ăng-ten này có hình dạng như chiếc bánh rán do ăng-ten nằm gọn trong tâm của lỗ.
• Các loại ăng-ten này rất dễ thiết kế và lắp đặt với nhiều cấu hình khác nhau như nghiêng, võng, hình chữ V ngược, v.v.
• Hầu như mọi tín hiệu đều có thể được thu nhận mà không cần quan tâm đến hướng của nó.
• Các ăng-ten này có thể được thu nhỏ và cộng hưởng bằng một cuộn cảm tải. Khi cuộn cảm này được bố trí ở trung tâm, chúng ta có thể thu được kết quả tốt.

Nhược điểm

Những nhược điểm của ăng-ten lưỡng cực bao gồm:

• Bước sóng dài đối với rất ít tần số cần thiết để tạo thành ăng-ten.
• Ăng-ten dạng gấp khúc có phần phức tạp hơn so với ăng-ten đơn cực, mặc dù không phức tạp như ăng-ten quad patch hoặc yagi UDA .
• Đối với các tần số dưới 27 MHz, hiệu suất của anten sẽ bắt đầu giảm khi chiều dài của anten giảm.
• So với ăng-ten thông thường, hiệu suất của ăng-ten kiểu chữ V ngược đã giảm.
• Kích thước của ăng-ten trong nhà nhỏ hơn nhiều so với ăng-ten ngoài trời.
• Ăng-ten ngoài trời có kích thước lớn, do đó việc lắp đặt và vận chuyển rất khó khăn.

Ứng dụng

Các ứng dụng của ăng-ten lưỡng cực bao gồm những điều sau đây.

• Các ăng-ten này được sử dụng như một bộ phận cơ bản trong các loại ăng-ten phức tạp và cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nơi chúng có thể tạo thành phần tử bức xạ.
• Ăng-ten này được ứng dụng trong lĩnh vực vô tuyến và viễn thông.
• Cùng một loại ăng-ten được sử dụng trong liên lạc hai chiều, cho cả việc truyền và nhận tín hiệu.
• Ăng-ten bán sóng có thể được sử dụng trong máy thu truyền hình và radio.
• Nhìn chung, ăng-ten được sử dụng như ăng-ten phát hoặc ăng-ten thu vì ăng-ten phát chuyển đổi tín hiệu từ điện sang điện từ và phát ra chúng, trong khi ăng-ten thu có thể được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu từ điện từ sang điện.
• Ăng-ten phản xạ parabol được sử dụng trong thiên văn học vô tuyến, thông tin liên lạc vệ tinh và cho một số loại liên kết thông tin liên lạc vô tuyến.
• Ăng-ten loại VHF và UHF chủ yếu được sử dụng trong thông tin liên lạc di động trên đất liền trong các ứng dụng an ninh công cộng, khu vực ven biển, công nghiệp và thông tin liên lạc công cộng.
• Ăng-ten kiểu gấp có thể được sử dụng bên trong các ăng-ten Yagi-Uda để thu sóng truyền hình toàn cầu thông qua đường truyền cân bằng như Z0 = 300 Ω vì trở kháng đầu vào của ăng-ten này cao, do đó nó dễ dàng phù hợp thông qua trở kháng đường truyền.
• Ăng-ten loại FM chủ yếu được sử dụng làm ăng-ten thu phát FM, đặc biệt là cho dải tần phát sóng FM từ 88 MHz đến 108 MHz.

Như vậy, bài viết này sẽ cung cấp tổng quan về ăng-ten lưỡng cực , nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của nó. Đây là một trong những loại ăng-ten RF quan trọng nhất, được sử dụng rộng rãi trong truyền thông vô tuyến, hoặc trong các thiết kế ăng-ten RF khác để tạo thành phần tử bức xạ cho toàn bộ ăng-ten. Loại ăng-ten này khá dễ thiết kế và một ăng-ten lưỡng cực cơ bản hoạt động trên các dải tần VHF, UHF và HF của phổ RF.