dạng đặc biệt của thiết bị anten đó là hệ anten thẳng

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn Điện tử Viễn thông
đã tạo mọi điều kiện cho em thực hiện đồ án này và đặc biệt là thầy giáo PGS.
TS. Trần Xuân Việt người đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình giúp em có thể hoàn
thành đồ án tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn !

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan:
1. Những nội dung được trình bày trong đồ án này là do em thực hiện
dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo PGS. TS. Trần Xuân Việt.
2. Các tài liệu tham khảo được sử dụng để thực hiện đồ án đều được liệt
kê theo quy định và đẩy đủ trong danh mục tài liệu tham khảo.
Sinh viên
Phan Thị Nhung

2


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
RF

Radio Frequency – Tần số vô tuyến

3

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng
2.1
2.2
2.3

Tên bảng
Các đặc tính sử dụng của bộ xoay pha chốt tương tự
hình xuyến loại công suất thấp và công suất cao
Các đặc tính của của bộ xoay pha chốt tươngtự hình
xuyến tại băng S và C
Đặc trưng điển hình của những bộ xoay pha quay
tròn Faraday

4

Trang
22
22
23


DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hình
1.1
1.2
1.3

1.4
1.5
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5

Tên hình
Một số dạng cấu hình của hệ anten thẳng
Mô hình hệ anten thẳng N phần tử
Đồ thị véctơ argument
Đồ thị phương hướng biên độ tổ hợp với N=7
Các anten được dịch chuyển
Sơ đồ hệ thống điều khiển pha bằng chuyển mạch
Sơ đồ hệ thống điều khiển pha bẳng bộ quay pha và
chuyển mạch
Sơ đồ hệ thống điều khiển pha sử dụng fiđe của

chuyển mạch
Tổn hao do chèn của bộ xoay pha ferit và bộ xoay
pha diode Hughes Aircrait Company với các băng
tần số khác nhau
Bộ xoay pha ferit hình xuyến
Bộ xoay pha ferit số dử dụng các cuộn dây hình xuyến
Cấu hình bộ xoay pha Reggia-Spencer điển hình
Bộ xoay pha quay tròn Faraday có tính tương hỗ
Mạch điện tương đương của diode pin
Sơ đồ đổi tần
Sơ đồ điều khiển pha sử dụng bộ quay pha trực tiếp
Đồ thị đa thức Chebyshev bậc 7
Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha,
N=6 hệ tọa độ cực
Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha,
N=6 hệ tọa độ đề các
Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha,
N=8
Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha,
N=10
Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, đồng pha,
N=6, và (b)
Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển
5

Trang
3
3
8
9

10
13
14
14
16
18
19
20
21
24
26
28
32
40
40
41
42
43


3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11

pha, N=10 và N=6,
Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển
pha, N=10,

Giản đồ hướng hệ anten thẳng, đẳng biên, điều khiển
pha, N=10,
Giản đồ hướng hệ anten thẳng, điều khiển pha và biên
độ, N=6 và N=10, , SLL=20dB
Giản đồ hướng hệ anten thẳng, điều khiển pha và biên
độ, N=10, và , SLL=20dB
Giản đồ hướng hệ anten thẳng, điều khiển pha và biên
độ, N=10, , SLL=20dB và SLL=30dB

6

44
45
46
48
49
49


MỞ ĐẦU
Xã hội ngày càng phát triển khiến cho nhu cầu về các trang thiết bị phục
vụ đời sống cũng như trong các lĩnh vực ngày càng tăng. Chính bởi điều này đã
kéo theo những yêu cầu cao được đặt ra cho các thiết bị phục vụ đó. Anten là
thiết bị được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của kỹ thuật vô tuyến
điện. Tùy theo nhiệm vụ của hệ thống vô tuyến mà có các yêu cầu khác nhau đối
với thiết bị anten.
Một trong những dạng đặc biệt của thiết bị anten đó là hệ anten thẳng. Hệ
anten thẳng với hệ thống các anten đơn giản và cùng loại có thể tạo ra các đồ thị
phương hướng hẹp. Để hệ anten thẳng có được những đặc tính thỏa mãn yêu cầu
của từng ứng dụng cụ thể ta thực hiện điều khiển giản đồ hướng của hệ bằng

việc tác động lên một hoặc nhiều thành phần trọng số của các dòng điện kích
thích cho các anten đơn lẻ trong hệ như pha, biên độ. Vậy cụ thể từng phương
pháp ra sao, ưu nhược điểm của chúng như thế nào em xin được trình bày trong
nội dung của đồ án này.

7


CHƯƠNG I: HỆ ANTEN THẲNG
Mục tiêu thiết thực của thông tin có tính hướng là sự cải tiến về tín hiệu
thu được đo tương đối so với nhiễu. Chính xác hơn, tính định hướng cải thiện tí
số tín hiệu trên nhiễu. Việc này có thể thực hiện bằng cách ở phía phát sử dụng
một anten phát đi năng lượng sóng dưới dạng một chùm tia tập trung tới một
máy thu ở xa hoặc tại phía thu sử một anten tương tự để chặn lấy năng lượng
sóng tối đa. Vì vậy, bất kì việc cải thiện tín hiệu theo mong muốn nào đều có thể
thực hiện ở phía phát hoặc phía thu hoặc cả hai phía.
Một trong những phương pháp phổ biến để có được anten có đặc tính
hướng như vậy đó là sự sắp xếp các anten riêng lẻ cùng loại được phân chia
khoảng cách và định pha để tác động của chúng thêm vào một hướng nào đó và
triệt tiêu ở những hướng còn lại. Việc sắp xếp như vậy được gọi là một mạng
lưới anten rời rạc hay một hệ thống anten. Các anten riêng lẻ được gọi là các
phần tử và chúng có thể được sắp xếp theo những hình dạng khác nhau như
đường thẳng, hình vuông, hình chữ nhật, vòng tròn, elip... Qua nhiều năm số
lượng hình dạng được coi là có tính thực tế đã giảm còn tương đối ít.
Việc cải thiện các đặc tính bức xạ bằng hệ thống anten có thể được mô tả
trong nhiều cách khác nhau. Đôi khi kết quả có dạng của một hình vẽ, nó cho
thấy mức tín hiệu tương đối trong các hướng khác nhau. Trong một số trường
hợp khác, kết quả lại được đo với các điều kiện của tính hướng và độ lợi công
suất. Ở đây, tính hướng và độ lợi thường được xem xét đến với một số tiêu
chuẩn được chấp nhận như một nguồn đẳng hướng hoặc một phần tử của hệ

anten.
Một trong những hệ thống thực tế gồm các phần tử riêng rẽ nằm dọc theo
một đường thẳng đó là hệ thống anten thẳng. Chương này ta sẽ đi tìm hiểu về hệ
thống có cấu trúc như vậy.

8


1.1 Mô hình toán của hệ anten thẳng

Hình 1.1 Một số dạng cấu hình của hệ anten thẳng
Ta có khái niệm thống bức xạ thẳng như sau: Hệ anten thẳng là hệ thống
bức xạ bao gồm các phần tử bức xạ có tâm pha nằm trên một đường thẳng.
Đường thẳng này gọi là trục của hệ thống.
Xét một hệ anten thẳng bao gồm N phần tử từ 0 đến N-1cùng loại, được
đặt cách đều nhau một khoảng bằng . Chọn tâm pha của phần tử thứ nhất làm
gốc tọa độ như hình sau:

Hình 1.2 Mô hình hệ anten thẳng N phần tử
Trong đó:
9


- khoảng cách giữa các phần tử của hệ được xác định bằng biểu

d = D.
thức

λ
2

(với D = 1, 2,..khoảng cách chuẩn hóa so với

Tại một điểm khảo sát M (

R, θ , ϕ

λ/2

).

) ở trường vùng xa như hình 1.2, ta có

độ chênh lệch đường đi giữa các tia tới từ điểm khảo sát đến các phần tử của hệ
anten được tính theo công thức tổng quát sau:

∆R = R1 − R2 = ... = Rn − Rn+1 = d cosθ
Với

θ

(1-1)

là góc hợp bởi điểm khảo sát và trục của hệ anten.

Nếu lấy

R1

làm chuẩn khi đó:

Rn = R1 − (n − 1)d cosθ

R1

(1-2)

- khoảng cách từ điểm khảo sát M đến gốc tọa độ của hệ anten

Rn
- khoảng cách từ điểm khảo sát M đến tâm pha của phần tử n
Gọi

I1

là giá trị cường độ dòng kích thích trong phần tử 1 và

In

là giá trị

cường độ dòng kích thích trong phần tử n. Quan hệ giữa dòng kích thích trong
mỗi phần tử với dòng trong phần tử thứ nhất được xác định bởi:
a&
n =

In
iψ
= ae n
I1

(1-3)

Trong đó:

an

- tỉ số giữa dòng kích thích của phần tử thứ n so với dòng kích thích của phần

tử thứ nhất

ψn

– góc lệch pha về dòng trong phần tử n so với dòng trong phần tử thứ nhất
10


Cường độ trường bức xạ của hệ thống thu được tại điểm khảo sát M được
ký hiệu là

E

:

E=

với

f (θ ,ϕ )

−ik e −ikR
f (θ ,ϕ )
4π R

(1-4)

là hàm phương hướng véctơ phức của trường tổng, có giá trị phụ

thuộc vào sự phân bố dòng kích thích.
Hệ anten có N phần tử nên trường giao thoa ở điểm khảo sát được tạo bởi
hệ thống sẽ được xác định bởi:
−ikR

−ik N e n
E=∑E =
f n (θ , ϕ )
∑
4π n=1 R
n =1 n
N

f n (θ ,ϕ )

(1-5)

– hàm phương hướng của phần tử thứ n

Lại có

Rn = R1 − (n −1)d cosθ

. Công thức (1-5) trở thành:

−ikR

−ik e 1 N ik (n−1)d cosθ
E=∑E =
f n (θ ,ϕ )
∑e
4π R n=1
n =1 n
N

(1-6)

Từ đó có thể rút ra hàm phương hướng của hệ anten thẳng N phần tử như sau:
N

f (θ , ϕ ) = ∑ eik ( n−1)d cosθ f n (θ ,ϕ )
n =1

(1-7)

Giả thiết các phần tử là đồng dạng, khi đó hàm phương hướng của chúng
sẽ giống nhau nhưng giá trị lại chênh lệch nhau một lượng bằng tỉ số của dòng
trong chúng. Ta viết lại hàm công thức trên như sau:
N

f (θ ,ϕ ) = f1 (θ ,ϕ ) ∑ an e

iψ n ik ( n−1) d cosθ

n =1

Trong đó:

11

e

(1-8)


eik ( n−1) d cosθ

– sự lệch pha do chênh lệch đường đi từ phần tử thứ n với

phần tử thứ nhất

(n −1)d

θm = θ

– bán kính tâm pha của phần tử thứ n
– góc hợp bởi trục của hệ thống và điểm khảo sát

Nếu góc pha của dòng kích thích giữa hai phần tử liên tiếp chênh lệch với

ψ

nhau một gia trị không đổi bằng

ta có:

I 2 = I1a1eiψ
I 3 = I1a1ei 2ψ

…………
I n = I1a1ei (n−1)ψ

Thì

ψ n = (n −1)ψ
Lúc này công thức (1-8) trên trở thành:
N

f (θ ,ϕ ) = f1 (θ ,ϕ ) ∑ an ei (n−1)(ψ +kd cosθ )
n =1

f1 (θ ,ϕ )
f k (θ ,ϕ )

(1-9)

hàm phương hướng riêng của từng phần tử
hàm phương hướng tổ hợp (hay còn gọi là hệ số mạng) với
N

f k (θ ,ϕ ) = ∑ an ei ( n−1)(ψ +kd cosθ )
n=1

(1-10)

.Và trường bức xạ sẽ có biểu thức như sau :

−ik e−ikR
E=
f f
4π R 1 k
12

(1-11)


Nếu phần tử thứ nhất của hệ anten có

−ik e−ikR
f
4π R 1

là cường độ trường bức

xạ thì:
E = E1 f k

E = E1 f k

(1-12a)
(1-12b)

Nhận thấy (1-10) có dạng một cấp số nhân với giá trị của số hạng đầu là
1 và công bội là
Đặt

ei (ψ +kd cosθ )

α =ψ + kd cosθ

.

. Giá trị của hàm phương hướng tổ hợp có thể được

tính bằng phương pháp hình học véctơ trong mặt phẳng phức (hình 1.3). Khi đó
mỗi số hạng của

fk

có thể được biểu thị bằng một véctơ đơn vị, véctơ thứ nhất

(n=1) trùng với trục thực, các véctơ tiếp theo sẽ quay 1 góc (n-1)

α

. Nếu

α

>0

thì hướng quay thuận chiều kim đồng hồ. Để xác định môđun của vectơ tổng, ta

cần xác định bán kính

ρ

của vòng tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các vectơ. Ta

có :

ρ=

1

α
2sin
2

(1-13)

Qua đó, ta tìm được của hàm phương hướng tổ hợp bằng cách dựa trên
tam giác cân với đáy là vectơ tổng và Nα là góc ở đỉnh:
Nα
Nα sin 2
( f k )m = 2 ρ sin
=
α
2
sin
2

Hàm phương hướng biên độ tổ hợp trở thành :

13

(1-14)


Nα
2
fk =
α
sin
2
sin

‘

(1-15)

Với phương pháp hình học ta xác định được argumen của như hình 1.3 có
giá trị:

arg f k =
Với

α =ψ + kd cosθ

(1-16)
\\\\\\\\\

, ta có:

arg f k =
Như vậy, khi

( N −1)α
2

θ

( N − 1)(ψ + kd cosθ )
2

(1-17)

biến đổi, hay nói cách khác khi điểm khảo sát được di

chuyển quanh gốc tọa độ, thì

fk

có phacũng thay đổi một cách liên tục. Điều này

chứng tỏ tâm pha của phần tử thứ nhất (gốc tọa độ đã chọn) không phải là tâm
pha của hệ anten. Ta đi xác định tâm pha của hệ anten. Bằng việc khảo sát (117) và đối chiếu với:

arg f 0 = α sin θ cos ϕ + β sin θ sin ϕ + γ cosθ = δ

α , β , γ ,δ

x0 =
là các hằng số. Với

α
k

y0 =
;

β
k

z0 =
;

(1-18)

γ
k

Ta có công thức xác định tâm pha của hệ như sau:

z0 =

N −1
d
2

(1-19)

=>hệ anten có tâm pha nằm ở chính giữa hệ.
Hàm phương hướng tổ hợp

thuộc vào

θ

fk

với có giá trị cụ thể thì hàm này sẽ chỉ phụ

. Qua đó ta thấy rằng giản đồ hướng trong không gian của hàm tổ

hợp sẽ là một khối tròn xoay có trục của khối trùng với trục hệ thống.
14


Với

α =0

hoặc

α = k 2π

với

k

= 1,2, …hàm phương hướng tổ hợp có

cực đại chính bằng N. Điều này cũng có thể nhận thấy khi khảo sát đồ thị véc tơ
argumen

fk

:

Hình 1.3 Đồ thị véctơ argumen
Với

α

≠ 0, đồ thị hình là một đường gẫy khúc. Nếu đường này khép kín

thì giá trị của véc tơ tổng sẽ bằng không. Góc

θ

thỏa mãn phương trình (1-17)

sẽ xác định một trong các hướng bức xạ không của giản đồ hướng.
Hàm phương hướng biên độ tổ hợp chuẩn hóa được xác định theo công
thức sau:

Nα
2
F =
k
α
N sin
2
sin

15

(1-20)


Hình 1.4 Đồ thị phương hướng biên độ tổ hợp với N=7
Qua hình 1.3, ta thấy hàm phương hướng tuần hoàn với chu kỳ là 2π.

Trong khoảng với số lượng phần tử N=7, hàm

Fk

có hai cực đại chính với biên

độ bằng 1 và năm cực đại phụ.
Do hệ anten có tính đối xứng nên ta chỉ khảo sát giản đồ hướng trong
khoảng

θ

từ

00

đến

1800

. Khi đó giá trị

cosθ

sẽ biến thiên trong phạm vi 1. Do

đó có giới hạn xác định như sau:

−kd +ψ ≤ α ≤ kd +ψ
Với điểm

α =0

thì khi thỏa mãn điều kiện

đại chính được xác định từ phương trình:

kd cosθm +ψ = 0
Do đó:

16

ψ ≤ kd

(1-21)
, giản đồ hướng có cực


cosθ m =

ψ

kd

(1-22)

1.2 Các thuộc tính của hệ anten thẳng
1.2.1 Dịch pha liên tiếp
Thuộc tính cơ bản nhất của một hệ thống bức xạ là sự dịch chuyển tương
đối của các phần tử bức xạ của hệ với những sự dịch pha tương đối được đưa ra
trên các vectơ bức xạ hay nói cách khác các phần tử của hệ có thể thêm vào ở
một số hướng vào hoặc mất đi ở những hướng khác. Đây là một hệ quả trực tiếp
của thuộc tính dịch pha liên tiếp của biến đổi Fourier: một sự chuyển dời trong
không gian hoặc thời gian trở thành sự dịch pha trong miền Fourier.
Hình 18.2.1 cho thấy bên phải một ăng-ten được dịch bởi vector d, và bên
phải, một số anten được dịch đến các vị trí khác nhau và được cấp điện với các
biên độ tương đối khác nhau.
z

z
a1J1

a 0J 0
J(r)

d

a 2J2

d 0 d1

J d (r)

d2

y

y

x

x

Hình 1.5 Các anten được dịch chuyển
Mật độ dòng của các ăng-ten được dịch chuyển sẽ là

J d (r ) = J (r − d )

Theo định nghĩa, véctơ bức xạ là biến đổi Fourier ba chiều của mật độ dòng.
Như vậy, vector bức xạ của dòng dịch sẽ là:
'

F = ∫ eikr J d (r )d 3r = ∫ eikr J (r − d )d 3r = ∫ eik (r +d ) J (r )d 3r '
'

= ∫ eikd ∫ eikr J (r ' )d 3r ' = eikd F

17

(1-24)

.

Với

r' = r − d

. Do đó:
Fd (k ) = eikd F (k )

(1-25)

1.2.2 Tính nhân giản đồ hướng
Đặc tính này được thể hiện qua công thức:

f (θ ,ϕ ) = f1 (θ ,ϕ ) f k (θ ,ϕ )

Với

f1 (θ ,ϕ )

(1-26)

là hàm phương hướng riêng của từng phần tử và

f k (θ ,ϕ )

là

hàm phương hướng tổ hợp (hệ số mạng). Hàm phương hướng của hệ được xây
dựng từ tích giữa hàm phương hướng của một phần tử với một thành phần được

gọi là hệ số mạng.

f k (θ ,ϕ )

đặc trưng cho khả năng kết hợp các phần tử của hệ anten. Hiệu

ứng toàn phần của một hệ thống các phần tử đẳng hướng là khả năng điều chỉnh
véctơ bức xạ của anten đơn bởi hệ số mạng hay nói cách khác đó là sự kết hợp
tất cả sự dịch pha liên tiếp và các thành phần trọng số tương đối của các phần tử
của hệ.
Phương trình trên có thể coi là kết quả đầu vào hoặc đầu ra của một hệ
thống thẳng với

f k (θ ,ϕ )

là một hàm truyền. Khi đó mật độ bức xạ tương ứng và

độ lợi công suất cũng sẽ có sự liên quan theo công thức:

U tot (θ ,ϕ ) = f k (θ ,ϕ ) U (θ ,ϕ )
2

Gtot (θ ,ϕ ) = f k (θ ,ϕ ) G(θ ,ϕ )
2

18

(1-27)

Với

U (θ ,ϕ )

và

G(θ ,ϕ )

là mật độ bức xạ và độ lợi công suất của một

phần tử đơn. Hệ số mạng cũng có thể thay đổi các thuộc tính hướng của một
phần tử. Ta sẽ tìm hiểu rõ hơn vấn đề này ở chương sau.
1.2.3 Tính định hướng
Trong điện từ trường, tính hướng là một hệ số chất lượng của một ăngten. Nó đo mật độ công suất anten bức xạ theo hướng phát xạ mạnh nhất so với
mật độ công suất bức xạ trung bình của một nguồn bức xạ đẳng hướng lý tưởng
(phát ra tín hiệu theo mọi hướng một cách bằng nhau).
Đối với hệ anten thẳng cũng vậy, đặc tính hướng của hệ được thể hiện qua
giản đồ hướng của nó. Để hiểu rõ hơn về giản đồ hướng của hệ anten thẳng ta
cần nắm rõ các thông số sau đây:
a.Cực đại chính (hay búp sóng chính): là búp sóng lớn nhất chứa công suất bức
xạ cực đại hay hướng có độ lợi lớn nhất. Búp sóng này thể hiện cường độ trường
lớn nhất.
b.Cực đại phụ (búp sóng phụ): là các búp sóng khác búp sóng chính. Chúng đại
diện cho sự bức xạ không mong muốn ở các hướng không mong muốn. Mật độ
công suất ở búp phụ ít hơn búp chính.
c.Điểm không: là 1 vùng hoặc véctơ nơi mà tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn hay
sự bức xạ giảm đến không trên giản đồ hướng.
d.Độ rộng vùng bức xạ (độ rộng búp chính): là góc giữa hai hướng, mà theo hai
hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi đến một giá trị nhất
định. Thường độ rộng vùng bức xạ được xác định ở hai mức: bức xạ không và

bức xạ nửa công suất.
- độ rộng vùng bức xạ không là góc giữa hai hướng mà theo đó cường độ trường
bức xạ bắt đầu giảm đến không.
- độ rộng vùng bức xạ nửa công suất là góc giữa hai hướng mà theo đó công suất
bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại (ứng với cường độ trường giảm đi

19


lần ) hay độ lợi thấp hơn 3dB nên còn được gọi là độ rộng búp sóng chính ở mức
suy giảm 3dB.
e.Mức cực đại phụ: là một thông số quan trọng được sử dụng để môt tả giản đồ
bức xạ. Mức cực đại phụ là giá trị lớn nhất của các cực đại phụ và được đo bằng
dB.
Giản đồ hướng của hệ anten luôn được mong muốn là tối ưu, triệt tiêu
năng lượng ở những hướng không mong muốn và thu năng lượng mạnh nhất ở
các hướng khác bằng cách điều khiển các trọng số của dòng kích thích hệ anten.
Cách làm như vậy được gọi là điều khiển giản đồ hướng của hệ anten mà ta sẽ
tìm hiểu kĩ hơn ở chương sau.
CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN GIẢN ĐỒ HƯỚNG
HỆ ANTEN THẲNG
Để hệ anten thẳng có giản đồ hướng tối ưu phù hợp với từng ứng dụng cụ
thể, người ta tiến hành điều chỉnh các trọng số tùy vào từng mục đích. Các
phương pháp điều khiển thường được dùng là điều khiển pha, điều khiển biên độ
và điều khiển phức hợp pha và biên độ.
2.1 Điều khiển pha
Phương pháp này nhằm mục đích lái chùm bức xạ của giản đồ hướng tới
một hướng mong muốn cụ thể nào đó. Khi sử dụng phương pháp, tần số của
máy phát sẽ được giữ cố định, còn độ lệch pha của dòng kích thích trong các
phần tử sẽ thay đổi. Phương pháp này được thực hiện bằng các bộ quay pha

riêng rẽ có lượng dịch pha cố định hoặc biến đổi được; hoặc bằng phương pháp
xử lý tín hiệu.
2.1.1 Điều khiển pha bằng phương pháp chuyển mạch
Có hai phương pháp để thiết lập điều khiển pha bằng chuyển mạch:
Phương pháp thứ nhất: một nhóm bộ xoay pha cố định được nối với từng
phần tử của hệ. Bằng cách dùng chuyển mạch ta có thể lựa chọn pha cho từng
phần tử của hệ thông qua việc kết nối từng phần tử với bộ xoay pha có giá trị
20


mong muốn đồng thời ngắt kết nối với các bộ xoay pha còn lại. Các bộ xoay pha
có giá trị góc dịch pha được xác định theo công thức
pha của từng phần tử có giá trị bằng bội số của

ψ

ψ n = (n − 1)ψ

. Như vậy,

.

3π/2

Đầu vào

π

Tải hấp thụ

π/2

Chuyển mạch

d ≈λ/2

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển pha bằng chuyển mạch
Hệ thống bức xạ
Bộ quay pha và
chuyển mạch

Đầu vào
Tải hấp thụ

d ≈λ/2

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển pha bẳng
bộ quay pha và chuyển mạch
Phương pháp thứ hai: một fiđe cung cấp của bộ chuyển mạch sẽ được nối
với các phần tử bức xạ. Trên fiđe, cứ mỗi khoảng

λ/2

sẽ được nối với các phần

tử bức xạ và pha của từng phần tử này tại từng vị trí khác nhau trên fiđe sẽ là
pha của sóng chạy trong fiđe ấy. Khi ấy chuyển mạch sẽ thực hiện lựa chọn góc
pha thích cho từng phần tử.
Chuyển mạch
Đầu vào

21


Tải hấp thụ
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển pha sử dụng
Việc nối fiđe vào các phần tử có hiệu số pha
lượng

ψ

δψ

khác 0 hoặc 2π một

thông qua chuyển mạch cho phép thực hiện gần đúng với sự phân bố

cần thiết. Nhìn chung, với anten chuyển mạch có phân bố pha có dạng bậc thang
thường làm tăng mức cực đại phụ đồng thời tăng điện kháng vào nhưng lại làm
giảm hệ số định hướng của anten.
Hiện nay có hai loại bộ xoay pha điện tử phù hợp với hệ anten điều khiển
pha thực tế đó là: bộ xoay pha ferit và bộ xoay pha diode bán dẫn với tổn hao
công suất nhỏ hơn 20%. Việc lựa chọn bộ xoay pha loại nào để sử dụng trong
một ứng dụng cụ thể phụ thuộc rất nhiều vào tần số hoạt động và công suất của
mỗi bộ xoay pha. Trên băng S, bộ xoay pha ferit ống dẫn sóng ít tổn hao hơn bộ
xoay pha diode. Trong những trường hợp công suất ở tần số vô tuyến thấp và có
sự hạn chế về kích thước, trọng lượng, đòi hỏi một thiết kế ở dạng siêu nhỏ, thì
bộ xoay pha diode được ưa dùng hơn. Giả thiết, một hệ anten điều khiển pha
với mỗi phần tử bức xạ được mắc với một bộ xoay pha, việc lựa chọn bộ xoay
pha phụ thuộc vào các yếu tố được liệt kê dưới đây:
a. Tổn hao do chèn

Việc tổn hao do chèn nên càng thấp càng tốt. Nó là kết quả của việc giảm
công suất ở phía phát và giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu xuống thấp hơn ở phía
thu. Điều này cũng gây ra những vấn đề làm nóng bộ xoay pha.
b. Thời gian chuyển mạch
Nên càng ngắn càng tốt. Thời gian chuyển mạch dài làm tăng tầm xa cực
tiểu của radar khi sử dụng những bộ xoay pha không tương quan và khi một
burst của các xung được phát đi theo các hướng khác nhau. Thời gian tính theo
micro giây là phù hợp cho hầu hết các ứng dụng.
c. Công suất điều khiển
Nên càng nhỏ càng tốt. Một hệ thống di động với công suất điều khiển
22


lớn sẽ sinh ra nhiệt và có thể đòi hỏi các nguồn cung cấp khá lớn. Công suất
điều khiển lớn cũng có thể đòi hỏi các thành phần mạch dẫn dộng đắt tiền. Bộ
xoay pha diode yêu cầu duy trì công suất khi chuyển đổi công suất còn bộ xoay
pha ferit có thể được chặn nghĩa là chúng không tiêu thụ công suất điều khiển
trừ khi chuyển mạch.
d. Sai số pha
Càng nhỏ càng tốt. Không nên giảm một cách đáng kể độ lợi ăng-ten hoặc
tăng các cực đại phụ trong giản đồ bức xạ. Một nguyên nhân của sai số pha là
kích thước của các bit ít quan trọng nhất của một bộ dịch pha số. Các sai số pha
khác là do dung sai của việc sản xuất các bộ dịch pha và bộ dẫn động.
e. Công suất phát (Công suất đỉnh và công suất trung bình)
Công suất cần thiết cho mỗi bộ dịch pha phụ thuộc vào tầm xa cực đại
của radar và tỉ lệ dữ liệu tối đa của việc thiết kế hệ thống. Giá trị thông thường
là 1-100 kW mức đỉnh và 1-500 W mức trung bình. Mức công suất đỉnh trên 1015 kW thường đòi hỏi một thiết bị bằng ferrite.
f.Kích thước vật lý
Bộ dịch pha nên phù hợp với một mặt cắt ngang với kích thước để nó có
thể được bọc lại sau mỗi phần tử; nếu không sẽ cần một bộ cấp điện đầu ra có

chi phí đắt đỏ tiếp điện đầu ra đắt đỏ.
g. Trọng lượng
Cần tối thiếu hóa để lắp đặt trong điện thoại di động, đặc biệt là trong
không trung, tàu vũ trụ.
h. Dễ dàng cho chi phí và sản xuất
Đối với hệ có hàng ngàn phần tử thì giá thành phải thấp. Dung sai sản
xuất phải càng lớn càng tốt, phù hợp với sai số biên độ và pha hệ thống ở mức
cho phép.
Hình 3.1 so sánh bộ dịch pha ferit và diode về vai trò của tần số hoạt động
và sự tổn hao do chèn.

23


Hình 2.4 Tổn hao do chèn của bộ xoay pha ferit và bộ xoay pha diode
Hughes Aircrait Company với các băng tần số khác nhau
Nhìn chung, các thiết bị ferit có khả năng công suất cao hơn với tổn hao ít
hơn ở băng S. Bộ xoay pha diode thì chiếm ưu thế ở các tần số sóng cực ngắn
thấp hơn.
2.1.2 Đặc tính các bộ quay pha
a.Bộ quay pha ferit
Cấu trúc bộ qoay pha ferit có hai loại chính: những bộ xoay pha sử dụng
ống dẫn sóng và những bộ xoay pha sử dụng kết cấu microstrip. Trong khi việc
xây dựng bộ dịch pha ferit microstrip là cực kỳ đơn giản thì hiệu suất của bộ
dịch pha ferit ống dẫn sóng lại tổt hơn, và bộ dịch pha này thường được sử dụng
cho hầu hết các ứng dụng.
Bộ xoay pha ferit sử dụng vật liệu ferri từ bao gồm các họ của ferrite và
garnet mà về cơ bản là vật liệu gốm sứ có các tính chất từ.
Bộ xoay pha ferit có thể là tương hỗ hoặc không tương hỗ. Bộ xoay pha
hình xuyến là ví dụ điển hình của loại không tương hỗ, và bộ xoay pha quay tròn

Reggia-Spencer và Faraday là những đại diện tốt nhất của loại xoay pha ferrite
tương hỗ. Khi bộ xoay pha không tương hỗ được sử dụng trong hệ thống chỉ có
một anten được sử dụng cho cả phát và thu thì thiết bị phải được chuyển đổi
giữa hai chế độ làm việc. Việc này được thực hiện bằng cách chuyển đổi nhanh
24


chóng bộ dịch pha tới trạm thu bằng một xung điều khiển. Xung này có cực tính
ngược khi sử dụng ở trạng thái phát.
Bộ xoay pha hình xuyến:
Bộ xoay pha không tương hỗ sử dụng một hình xuyến trong đó gồm một
cuộn dây hình xuyến ferit từ đặt bên trong một phần của ống dẫn sóng như thể
hiện trong hình 2.5.

Hình 2.5 Bộ xoay pha ferit hình xuyến
Bộ xoay pha này đôi khi được gọi là thiết bị song phiến vì độ dịch pha
được cung cấp bởi các nhánh hình xuyến thẳng đứng (song song với trường E),
trong khi các nhánh ngang được sử dụng để tạo thành mạch từ. Hình xuyến
được nối với một dây điều khiển, dây này được điều chỉnh để kết nối với bộ
khuếch đại điều khiển (cung cấp xung dòng âm hoặc dương). Khi dây dao động
với một dòng điện có biên độ vừa đủ sẽ tạo ra từ trường làm cho vật hình xuyến
trở nên bão hòa. Khi xung bị ngắt, vật liệu trở thành chốt tại một trong hai điểm
mà hiện tượng cảm ứng còn dư lại,

+β

xung.
25

hoặc

−βr

tùy thuộc vào cực tính của