Ăng-ten hình thoi là gì?
Ăng-ten hình thoi là một loại ăng-ten dây định hướng được tạo thành từ bốn phần tử dẫn điện được sắp xếp theo cấu trúc hình thoi. Nó có thể được xem như hai ăng-ten hình chữ V nối tiếp nhau, với một đỉnh nhọn được sử dụng làm điểm cấp nguồn và đỉnh đối diện thường được nối với một điện trở kết thúc.
Không giống như ăng-ten lưỡng cực cộng hưởng, ăng-ten hình thoi được đấu nối đúng cách hoạt động chủ yếu như một ăng-ten sóng lan truyền. Dòng điện tần số vô tuyến (RF) truyền từ điểm cấp nguồn dọc theo bốn đoạn dây dẫn về phía tải đầu cuối. Các trường điện từ do các đoạn dây này tạo ra kết hợp lại để tạo thành một chùm tia tập trung dọc theo trục chính của hình thoi.
Ăng-ten hình thoi trở nên nổi tiếng trong lĩnh vực liên lạc HF tầm xa vì chúng có thể cung cấp vùng phủ sóng tần số rộng, độ lợi hướng về phía trước hữu ích và đặc tính định hướng tương đối ổn định. Tuy nhiên, kích thước vật lý lớn của chúng khiến chúng phù hợp hơn cho các hệ thống lắp đặt cố định so với các nền tảng liên lạc nhỏ gọn.
Cấu trúc cơ bản
Ăng-ten hình thoi thông thường bao gồm bốn dây dẫn có chiều dài bằng nhau được treo trên mặt đất. Các dây dẫn này cùng nhau tạo thành một hình thoi nằm ngang với hai góc nhọn và hai góc tù.
Ăng-ten được cấp nguồn ở một đầu, trong khi đầu còn lại được nối với một điện trở kết thúc không cảm ứng. Điện trở này được chọn để xấp xỉ trở kháng đặc trưng của cấu trúc ăng-ten và hấp thụ năng lượng sóng truyền còn lại.
Các thông số thiết kế chính bao gồm:
- Chiều dài của mỗi đoạn dây
- Góc nhọn hoặc góc đỉnh của hình thoi
- Chiều cao lắp đặt so với mặt đất
- Trở kháng điểm cấp nguồn
- Điện trở kết thúc
- Đường kính dây dẫn
- Dải tần số mục tiêu và đường truyền sóng
Góc tối ưu không phải là một giá trị cố định phổ quát. Nó phụ thuộc vào chiều dài điện của mỗi cạnh và hướng độ cao cũng như phương vị mong muốn của chùm tia chính.
Hình 1. Cấu hình cơ bản của một ăng-ten hình thoi nằm ngang có đầu cuối.
Ăng-ten hình thoi hoạt động như thế nào?
Mỗi cạnh của hình thoi hoạt động như một bộ bức xạ dây dài. Khi dòng điện lan truyền dọc theo các dây dẫn, mỗi đoạn dây sẽ tạo ra một thành phần bức xạ định hướng.
Khi kích thước và góc của anten được lựa chọn phù hợp, trường bức xạ từ bốn mặt sẽ tăng cường lẫn nhau theo hướng tiến về phía trước. Theo các hướng khác, một số thành phần trường sẽ triệt tiêu lẫn nhau một phần. Kết quả tổng hợp là một chùm tia chính tương đối hẹp dọc theo đường chéo dài của hình thoi.
Điện trở đầu cuối đóng vai trò quan trọng. Bằng cách hấp thụ năng lượng đến đầu kia, nó làm giảm sự phản xạ dòng điện và ngăn chặn sự hình thành sóng đứng mạnh trên các dây dẫn. Điều này giúp anten duy trì trở kháng và đặc tính bức xạ ổn định hơn trên một dải tần số tương đối rộng.
Sự đánh đổi nằm ở hiệu suất. Một phần công suất phát được chuyển hóa thành nhiệt trong điện trở đầu cuối thay vì được bức xạ. Do đó, thiết kế anten đòi hỏi sự cân bằng giữa độ định hướng, băng thông, độ ổn định trở kháng và hiệu suất bức xạ.
Dải tần số và kích thước điện
Các ăng-ten hình thoi kích thước đầy đủ truyền thống thường được sử dụng nhiều nhất trong truyền thông tần số cao (HF). Ở các tần số này, các cạnh của ăng-ten thường dài vài bước sóng, cho phép cấu trúc tạo ra độ lợi định hướng đáng kể.
Ăng-ten hình thoi không bị giới hạn bởi một dải tần số cố định. Về mặt lý thuyết, kích thước của nó có thể được điều chỉnh cho các tần số khác nhau, nhưng cấu trúc này trở nên cực kỳ lớn ở tần số thấp hơn và đòi hỏi dung sai cơ khí chặt chẽ hơn ở tần số cao hơn.
Các cấu trúc hình thoi nhỏ gọn và hình thoi vòng cũng có thể được sử dụng ở tần số VHF, UHF hoặc vi sóng. Tuy nhiên, các thiết kế thu nhỏ này có thể có các đặc tính cấp nguồn, phân cực và bức xạ khác với ăng-ten hình thoi HF truyền thống có đầu cuối.
Hình 2. Ví dụ về cấu trúc anten hình thoi nhỏ gọn để thu tín hiệu tần số cao.
Ăng-ten hình thoi có đầu cuối và không có đầu cuối
Ăng-ten hình thoi có đầu cuối thường tạo ra mô hình bức xạ một chiều. Hầu hết bức xạ hữu ích được hướng từ điểm cấp nguồn về phía đầu cuối.
Nếu tháo bỏ điện trở kết thúc, dòng điện sẽ phản xạ từ đầu hở. Khi đó, ăng-ten sẽ phát triển thành phần sóng đứng mạnh hơn và có thể tạo ra mô hình bức xạ hai chiều, với bức xạ chính theo hai hướng ngược nhau.
Cấu hình không có điện trở kết thúc có thể tránh được tổn thất công suất trong điện trở kết thúc, nhưng trở kháng đầu vào và kiểu bức xạ của nó thường thay đổi đáng kể hơn theo tần số. Nó cũng có thể cho tỷ lệ trước-sau kém hơn và hành vi băng thông rộng ít dự đoán được hơn.
Mô hình bức xạ và sự phân cực
Mô hình bức xạ của một ăng-ten hình thoi có đầu cuối được đặc trưng bởi một búp sóng chính hướng về phía trước và nhiều búp sóng phụ. Hướng và độ rộng chùm tia chính xác phụ thuộc vào chiều dài cạnh, góc hình thoi, chiều cao lắp đặt, tần số hoạt động và điều kiện mặt đất.
Việc tăng chiều dài điện có thể cải thiện độ định hướng, nhưng cũng có thể tạo ra các búp sóng phụ. Những búp sóng không mong muốn này có thể phát xạ năng lượng theo những hướng không mong muốn và làm giảm lợi thế thực tế của chùm tia chính.
Ăng-ten hình thoi được lắp đặt theo chiều ngang chủ yếu có phân cực ngang theo hướng bức xạ chính. Tuy nhiên, toàn bộ mô hình ba chiều cũng có thể chứa các thành phần phân cực dọc, đặc biệt là ở các búp sóng phụ và theo các hướng xa trục chính.
Hình 3. Minh họa mô hình bức xạ một chiều của một ăng-ten hình thoi đã được kết thúc.
Cấp nguồn và khớp trở kháng
Ăng-ten hình thoi thường là một cấu trúc cân bằng với trở kháng đầu vào tương đối cao. Nó thường được cấp nguồn bằng đường truyền cân bằng hoặc thông qua bộ biến đổi trở kháng và balun phù hợp.
Khi sử dụng cáp đồng trục, việc chuyển tiếp giữa đường cấp nguồn không cân bằng và anten cân bằng phải được thiết kế cẩn thận. Sự phối hợp không phù hợp có thể làm tăng công suất phản xạ, tạo ra dòng điện chế độ chung và làm biến dạng mô hình bức xạ dự định.
Các kỹ sư nên đánh giá:
- Trở kháng đầu vào
- Suy hao hồi tiếp và VSWR
- Điện trở kết thúc
- Lợi ích tiến lên
- Tỷ lệ trước-sau
- Hướng chùm tia
- Mức độ thùy phụ
- Phân cực
- Khả năng xử lý điện năng
Đối với các hệ thống phát công suất cao, điện trở đầu cuối phải có khả năng tiêu tán công suất tần số vô tuyến đáng kể một cách an toàn.
Thuận lợi
Những ưu điểm chính của ăng-ten hình thoi bao gồm:
- Băng thông hoạt động tương đối rộng
- Độ lợi hướng hữu ích
- Trở kháng ổn định khi được kết thúc đúng cách
- Cấu trúc đơn giản dựa trên dây
- Thích hợp cho các liên kết HF đường dài.
- Có khả năng xử lý công suất máy phát cao với các linh kiện phù hợp.
- Có thể bố trí nhiều ăng-ten hình thoi để có vùng phủ sóng rộng hơn hoặc chuyển đổi giữa các hướng.
Hạn chế
Những hạn chế chính của nó bao gồm:
- Yêu cầu diện tích lắp đặt lớn.
- Cần có một số cấu trúc đỡ cao.
- Một phần công suất RF bị mất trong điện trở kết thúc.
- Có thể tạo ra các búp sóng phụ đáng kể.
- Hiệu suất bị ảnh hưởng bởi độ cao và điều kiện mặt đất.
- Bảo trì máy móc có thể rất tốn kém.
- Không phù hợp với hầu hết các nền tảng nhỏ gọn hoặc di động.
Ứng dụng điển hình
Ăng-ten hình thoi từ lâu đã được sử dụng cho các mục đích sau:
- Truyền thông HF tầm xa
- Liên kết vô tuyến điểm-đến-điểm cố định
- Trạm thu sóng ngắn
- Truyền thông tầng điện ly và sóng trời
- Mạng lưới truyền thông quốc tế
- Giám sát vô tuyến và tình báo tín hiệu
- Nghiên cứu về ăng-ten dây dài và ăng-ten sóng lan truyền
Mặc dù các hệ thống thông tin liên lạc hiện đại thường sử dụng ăng-ten log-chu kỳ, mảng băng thông rộng, ăng-ten phản xạ và hệ thống ăng-ten điều khiển điện tử, ăng-ten hình thoi vẫn là một ví dụ quan trọng trong lý thuyết ăng-ten.
Điều này chứng minh rõ ràng cách chiều dài dây dẫn, dòng điện sóng lan truyền, góc hình học và sự chồng chất trường có thể được sử dụng để điều khiển độ định hướng và băng thông của anten.
RF MISO cung cấp các giải pháp về anten và linh kiện vi sóng cho thử nghiệm RF, truyền thông, radar, đo lường anten và tích hợp hệ thống. Hiểu biết về các cấu trúc anten cổ điển như anten hình thoi giúp các kỹ sư đánh giá các thông số quan trọng bao gồm dải tần số, độ lợi, phân cực, độ rộng chùm tia, VSWR, mức búp sóng phụ và hiệu suất bức xạ.
Để tìm hiểu thêm về ăng-ten, vui lòng truy cập:
Thời gian đăng bài: 24/7/2026
