Theo tiêu chuẩn IEEE, ăng-ten hoặc anten được định nghĩa là phương tiện được sử dụng để truyền và nhận sóng vô tuyến. Có nhiều loại ăng-ten khác nhau, được phân loại theo ứng dụng của chúng, chẳng hạn như ăng-ten loa, ăng-ten lưỡng cực, ăng-ten vi dải, ăng-ten băng rộng và ăng-ten loga-chu kỳ. Trong số các loại ăng-ten này, ăng-ten xoắn ốc, còn được gọi là ăng-ten xoắn, là một trong những loại ăng-ten cơ bản, thiết thực và đơn giản, được thiết kế bằng cấu trúc xoắn ốc của dây dẫn. Do đó, bài viết này sẽ cung cấp tổng quan về ăng-ten xoắn ốc, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng khác nhau của chúng.

Ăng-ten xoắn ốc là gì?

Định nghĩa về ăng-ten xoắn ốc: Ăng-ten xoắn ốc là một loại ăng-ten đơn giản và được sử dụng rộng rãi trong dải tần số rất cao. Do đó, các ăng-ten này hoạt động trong các dải tần VHF và UHF. Chúng được thiết kế bằng cách sử dụng các dây dẫn có hình dạng xoắn ốc. Loại ăng-ten này có một số đặc điểm cụ thể, chẳng hạn như băng thông rộng, độ lợi cao và phân cực tròn.

‍

Ăng-ten này có dải tần từ 30 MHz đến 3 GHz và được sử dụng trong các ứng dụng truyền thông không gian như truyền tín hiệu vệ tinh, cũng như trong thiên văn học vô tuyến, mạng không dây và truyền thông vệ tinh.

Đặc điểm

Các đặc điểm chính của ăng-ten xoắn ốc như sau:

• Đây là một ăng-ten đơn giản được sử dụng cho phân cực tròn.
• Nó được sử dụng trong nhiều dải tần khác nhau như VHF và UHF.
• Nó thường được sử dụng ở chế độ trục.
• Chế độ bình thường không được lựa chọn phổ biến vì hiệu suất và độ rộng chùm tia ở chế độ này khá thấp.
• Thiết kế này rất đơn giản và cực kỳ hiệu quả trong việc thu tín hiệu.
• Ở chế độ trục, ăng-ten này là một ăng-ten băng thông rộng.
• Nếu tỷ số trục bằng 0, sẽ xảy ra phân cực tuyến tính theo phương ngang.
• Nếu tỷ số trục là vô hạn, sẽ xảy ra phân cực tuyến tính theo phương dọc.
• Nếu tỷ số trục bằng một, sẽ xảy ra phân cực tròn.

Thiết kế ăng-ten xoắn ốc

Hình ảnh bên dưới cho thấy cấu trúc của một ăng-ten xoắn ốc. Ăng-ten này có thể được thiết kế bằng dây đồng dày, tương tự như một dây dẫn, được cuộn thành hình xoắn ốc và nối với mặt phẳng đất thông qua cáp dẫn. Ăng-ten này rất dễ thiết kế và tạo ra sóng phân cực tròn, do đó được sử dụng trong nhiều ứng dụng truyền thông liên quan đến truyền tín hiệu vệ tinh.

Sơ đồ trên cho thấy một hệ thống ăng-ten xoắn ốc cần một không gian ngoài trời tương đối lớn. Ở đây, một đầu của dây xoắn ốc được nối với dây dẫn trung tâm của cáp, trong khi dây dẫn bên ngoài được nối với một mặt phẳng đất làm bằng vật liệu dẫn điện. Ăng-ten này nhận tín hiệu từ cáp đồng trục và có thể hoạt động ở cả chế độ trục và chế độ bình thường.

Chúng ta biết rằng ăng-ten xoắn ốc hoạt động ở hai chế độ. Các yếu tố quyết định các chế độ này là đường kính của vòng xoắn và khoảng cách giữa hai vòng xoắn liền kề.

Giả sử chiều dài mỗi vòng xoắn của ăng-ten xoắn ốc là 'L' và khoảng cách giữa mỗi vòng xoắn là 'S'. Do đó, tổng chiều dài của ăng-ten sẽ phụ thuộc vào số vòng xoắn và khoảng cách giữa các vòng. Chu vi của vòng xoắn được ký hiệu là 'C' và được xác định là 'πD', trong đó 'D' là đường kính của vòng xoắn.

Khi xem xét một vòng xoắn của ăng-ten xoắn ốc, các thông số liên quan đến vòng xoắn có thể được xác định bằng cách sử dụng tam giác như hình dưới đây. Đặc tính bức xạ của ăng-ten xoắn ốc chủ yếu phụ thuộc vào khoảng cách giữa các vòng xoắn, đường kính và góc nghiêng. Do đó, góc nghiêng là góc giữa tiếp tuyến với dây dẫn xoắn ốc và mặt phẳng vuông góc với trục xoắn ốc.

Do đó:

tan α = S/C = S/πD

Góc nghiêng của ăng-ten xoắn ốc:

α = tan⁻¹(S/πD)

Trong đó:

'D' là đường kính của vòng xoắn.

'S' là khoảng cách giữa các vòng xoắn.

'α' biểu thị góc nghiêng.

Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng đặc tính bức xạ của ăng-ten thay đổi theo sự thay đổi của các thông số nêu trên dựa trên bước sóng.

Ăng-ten xoắn ốc hoạt động như thế nào?

Khi dây dẫn trong ăng-ten nhận dòng điện thông qua cáp đồng trục hoặc đường truyền hai dây, dòng điện sẽ chạy qua dây dẫn, tạo ra các trường điện từ và sau đó được bức xạ. Điều quan trọng cần lưu ý là ăng-ten xoắn ốc có thể bức xạ ở các chế độ khác nhau; do đó, ăng-ten xoắn ốc có hai chế độ hoạt động: chế độ bình thường và chế độ trục, sẽ được thảo luận sau.

Chế độ bình thường

Ở chế độ này, cả khoảng cách giữa các vòng xoắn và đường kính của ăng-ten xoắn ốc đều rất nhỏ so với bước sóng; do đó, hoạt động của nó tương tự như một vòng dây hoặc một lưỡng cực điện ngắn. Trong chế độ bức xạ bình thường, trường bức xạ vuông góc với trục xoắn ốc, vì vậy tín hiệu bức xạ có phân cực tuyến tính.

Chế độ này có hiệu suất thấp và băng thông hẹp, do đó chủ yếu được sử dụng cho các ăng-ten nhỏ gọn dùng trong liên lạc vô tuyến di động và ăng-ten phát sóng truyền hình UHF. Mô hình bức xạ của ăng-ten xoắn ốc là sự kết hợp giữa ăng-ten vòng và ăng-ten lưỡng cực ngắn.

Mô hình bức xạ của ăng-ten xoắn ốc ở chế độ bức xạ thông thường phụ thuộc chủ yếu vào đường kính và khoảng cách giữa các vòng xoắn. Nhược điểm chính của việc hoạt động ở chế độ bình thường là băng thông hẹp và hiệu suất bức xạ thấp, do đó chế độ này không được sử dụng thường xuyên.

Chế độ trục

Ở chế độ này, cả khoảng cách giữa các vòng xoắn và đường kính của ăng-ten xoắn ốc đều có kích thước tương đương với bước sóng, do đó ăng-ten hoạt động như một ăng-ten định hướng. Không giống như chế độ bình thường, không có phương pháp đơn giản nào để xác định đặc tính bức xạ trong chế độ trục này. Do đó, đối với chế độ này, các phương pháp phân tích và số học dựa trên thực nghiệm được sử dụng để xác định các đặc tính này. Chế độ này thường được sử dụng trong các trạm mặt đất của hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh. Chế độ hoạt động này có tính ứng dụng thực tiễn cao hơn.

‍Công thức

Các công thức sau đây được sử dụng để tính toán độ lợi của ăng-ten xoắn ốc, có xét đến các yếu tố như đường kính, khoảng cách giữa các vòng xoắn, chiều dài dây dẫn, độ rộng chùm tia ở mức nửa công suất, điểm triệt tiêu đầu tiên của chùm tia và khẩu độ.

Độ lợi của ăng-ten xoắn ốc (G) = [10,8 + 10 × log₁₀(số vòng xoắn × khoảng cách giữa các vòng xoắn)]

Đường kính (D) = Bước sóng / 3,14

Khoảng cách giữa các vòng xoắn (S) = Hệ số khoảng cách giữa các vòng xoắn × Bước sóng

Chiều dài dây (L) = Số vòng xoắn × √(bước sóng² + khoảng cách giữa các vòng xoắn²)

Độ rộng chùm tia ở mức nửa công suất của ăng-ten = 52 / √(số vòng xoắn × khoảng cách giữa các vòng xoắn)

Độ rộng chùm tia tại điểm 0 của ăng-ten = 115 / √(số vòng xoắn × khoảng cách giữa các vòng xoắn)

Khẩu độ = [10^(độ lợi ăng-ten / 10) × bước sóng²] / (4 × 3,14)

Ưu điểm

Những ưu điểm của ăng-ten xoắn ốc như sau:

• Thiết kế đơn giản.
• Tính định hướng cao.
• Băng thông rộng.
• Có thể tạo ra phân cực tròn.
• Có thể được sử dụng trong các dải tần VHF và HF.
• Cấu trúc chắc chắn và bền bỉ.
• Khi sử dụng phân cực tròn, nó có thể được sử dụng với cả ăng-ten phân cực dọc và phân cực ngang.

Nhược điểm

Những nhược điểm của ăng-ten xoắn ốc như sau:

• Vì có kích thước lớn hơn nên nó chiếm nhiều không gian hơn.
• Hiệu suất phụ thuộc chủ yếu vào số vòng xoắn; do đó, hiệu suất có thể thay đổi theo số vòng xoắn.
• Chi phí cao.

Ứng dụng

Các ứng dụng của ăng-ten xoắn ốc như sau:

• Các loại ăng-ten này lý tưởng cho các ứng dụng liên lạc vệ tinh và tàu vũ trụ vì sóng điện từ phát ra có phân cực tròn và tính định hướng cao.
• Ăng-ten đơn hoặc các dãy ăng-ten được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu VHF.
• Được sử dụng cho các vệ tinh tại các trạm mặt đất.
• Được sử dụng để truyền dữ liệu đường dài thông qua tên lửa.
• Có thể được sử dụng để thiết lập liên lạc giữa Mặt Trăng và Trái Đất.
• Ăng-ten xoắn ốc được sử dụng trong nhiều loại vệ tinh, chẳng hạn như vệ tinh truyền dữ liệu và vệ tinh thời tiết.
• Ăng-ten này được sử dụng để phát và nhận sóng VHF, đặc biệt là để truyền sóng qua tầng điện ly.
• Nó có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực truyền thông, chẳng hạn như thiên văn học vô tuyến, đo khoảng cách trong không gian, vệ tinh và thám hiểm vũ trụ.

Tóm lại, đây là tổng quan về ăng-ten xoắn ốc, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của chúng. Đây là loại ăng-ten rất đơn giản, trong đó dây dẫn của ăng-ten được cuộn thành hình xoắn ốc và được nối với mặt phẳng đất thông qua cáp dẫn. Ăng-ten xoắn ốc có thể tạo ra phân cực tròn và có đặc tính định hướng cao, vì vậy chúng được sử dụng trong các hệ thống liên lạc vệ tinh và không gian.