Chiếc chảo vệ tinh 60 cm trên mái nhà toàn bộ sức mạnh của nó nằm ở việc chỉnh hướng chính xác — lệch 2 độ và bạn mất một nửa tín hiệu, lệch 3 độ là màn hình đứng hình. Nhưng tại sao phải chặt chẽ như thế? Vì chính diện tích ăng-ten khiến nó gom sóng mạnh mẽ:
Diện tích là tiền mặt
Một ăng-ten toả đều (không có chảo) nhận 1 đơn vị năng lượng sóng từ bất kỳ hướng nào. Chiếc chảo parabol 60 cm ở tần 12,5 GHz nhận được 4 015 lần năng lượng hơn — không phải từ phép màu mà từ toán học sóng: độ lợi của ăng-ten là
G = η · (π·D/λ)²với η ≈ 0,65 (hiệu suất do mất phản xạ), D là đường kính chảo, λ là bước sóng. Ở đây λ = c/f = 2,40 cm, nên G = 0,65 · (π · 0,6/0,024)² ≈ 4 015 lần, tức 36,0 dBi trong ngôn ngữ của radio. Công thức nói rõ ràng: độ lợi tỉ lệ với bình phương đường kính — gấp đôi chảo là 4 lần mạnh hơn.
Nhưng sức mạnh ấy đi kèm một cái giá khắc nghiệt.
Khi bạn chỉnh hướng, bạn vừa làm hai chuyện
Chảo parabol giống một kính viễn vọng radio: nó thu tập sóng từ một hướng và hội tụ chúng vào một điểm. Hình dạng parabol đảm bảo tất cả các tia sóng song song (từ xa xôi vũ trụ) đều đến vị trí tiêu điểm cùng một lúc. Nhưng — và đây là bẫy — phạm vi góc của nó cực hẹp. Góc mở nửa công suất (3 dB) được tính từ:
θ₃dB ≈ 70·λ/D (độ)với chảo 60 cm ở 12,5 GHz: θ₃dB = 70 · 0,024 / 0,6 = 2,80 độ. Con số này có nghĩa là nếu bạn lệch khỏi hướng chính 2,8 độ, độ lợi sụt xuống một nửa (−3 dB trong công suất). Lệch 3 độ: mất thêm nửa độ nữa — độ lợi xuống khoảng 45% công suất. Lệch 5 độ là quên đi — chảo nhìn thẳng vào chân trời, máy thu có tín hiệu nhưng yếu ớt.
Đây là trade-off cơ bản của ăng-ten: lợi cao thì góc mở hẹp, góc rộng thì lợi thấp.
Vệ tinh nằm yên, đất chuyển động
Ở trên mặt đất, những 2,8 độ ấy tương ứng bao nhiêu khoảng cách? Một vệ tinh địa tĩnh ở 36 000 km độ cao nhìn xuống sao cho góc 2,8 độ phủ một khoảng đất tính từ tiếp tuyến ≈ 1 750 km. Chính bằng khoảng cách Hà Nội — Sài Gòn. Điều đó có nghĩa nếu một chảo ở Hà Nội chỉnh góc lên vệ tinh với góc ngẩng 30 độ, thì chảo ở Sài Gòn phải chỉnh góc khác 5 độ trở lên để mục tiêu cùng một vệ tinh — nằm ngoài khoảng “thấy” của nó.
Vì vậy mạng vệ tinh toàn cầu không thể chỉ dùng một vệ tinh địa tĩnh để phủ sóng — điều hành viên phải phát quảng bá từ nhiều vệ tinh ở vị trí khác nhau, và người dùng chọn vệ tinh tốt nhất lúc ấy. Nó giải thích luôn tại sao các dich vụ như Starlink lắp hàng ngàn vệ tinh ở quỹ đạo thấp hơn (1 200 km thay 36 000 km): ở quỹ đạo thấp, chảo địa mặt có thể dùng góc mở rộng hơn để bắt được vệ tinh khi nó chuyển động trên trời.
Độ chính xác bề mặt — nỗi ám ảnh của kỹ sư
Công thức G = η·(π·D/λ)² ngụ ý một điều hiểm: η phụ thuộc vào độ chính xác bề mặt chảo. Nếu chảo méo cong hoặc chứa bụi, phần lợi mất đi. Luật ứng dụng là bề mặt phải phẳng tới độ λ/16. Ở 60 GHz (bước sóng 5,0 mm), điều đó có nghĩa chảo phải chính xác trong 0,31 mm trên toàn bề mặt. Một chút móp méo, một lớp bụi mỏng — đã hủy hoại phần lợi. Các kỹ sư uydu liên lạc đơn tìm ngủ vì lo chảo bị gió lạnh làm co ngót, hoặc bụi mùa khô bám lên.
Trường hợp biên: khi công thức sập
Ở đầu nhỏ: một chảo nhỏ hơn bước sóng (D < λ) công thức cho G < 1, vô nghĩa. Cái “chảo” đó chỉ là một mẩu kim loại — nó không còn là một ăng-ten parabol, mà là một ăng-ten điểm, chỉ toả hay nhận tùy theo thiết kế. Tại một tần số cụ thể, có một kích cỡ tối thiểu dưới đó “chảo” đơn giản không còn là chảo. Ở đầu lớn: bề mặt phải phẳng tới λ/16, nên ở tần số cao (λ nhỏ), chảo cần mô đun hóa với độ chính xác siêu cao để không mất lợi — một chiếc chảo 60 GHz có bề mặt màng nylon dẻo sẽ không hoạt động; nó phải là kim loại cứng, hoặc composite cơ khí.