tài liệu ôn tập truyền sóng anten ĐH Dien Luc

*Truyền lan sóng không gian Nếu hai anten thu và phát đặt cao nhiều lần so với bước sóng công tác trên mặt đất thì sóng có thể truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, hoặc phản xạ

Truyền Song và Ăng ten

Xjcklong9x@gmail.com

Câu 1:trình bày các dạng phân cực của sóng vô tuyến điện?

Có ba loại phân cực sóng vô tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực tròn và phân cực elip

*Phân cực tròn

Khi các thành phần thẳng đứng và nằm ngang có biên độ bằng nhau ( ký hiệu là E0) nhưng một trường nhanh pha hơn 90 độ Các phương trình thể hiện chúng trong trừơng hợp này như sau:

Áp dụng ptrinh (1) cho trường hợp này ta được α=ωt Biên độ vectơ tổng là E0 Trongtrường hợp này, vectơ có biên độ không đổi nhưng hướng của nó thay đổi liên tục theo thời gian với quy luật ωt Nói cách khác, vectơ E quay quanh gốc của nó trong mặt phẳng

xy với vận tốc ω Đầu mút của vectơ trường điện vẽ lên đường tròn có bán kính bằng độ dài vectơ Đó là hiện tượng phân cực tròn

Câu 2 : trình bày các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực?

có bốn phương thức truyền lan sau: truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng không gian, truyền lan sóng trời (sóng điện ly), và truyền lan sóng tự do

*Truyền lan sóng bề mặt

Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc trực tiếp với bề mặt trái đất Bề mặt quả đất là một môi trường bán dẫn điện, khi một sóng điện từ bức xạ từ một anten đặt thẳng đứng trên mặt đất, các đường sức điện trường được khép kín nhờ dòng dẫn trên bề mặt quả đất Nếu gặpvật chắn trên đường truyền lan, sóng sẽ nhiễu xạ qua vật chắn và truyền lan ra phía sau vật chắn

Như vậy sự truyền lan sóng bề mặt có thể dùng để truyền tất cả các băng sóng Tuy

nhiên,sóng bề mặt bị suy giảm nhiều do sự hấp thụ của trái đất Sự suy giảm phụ thuộc vào tần số, khi tần số tăng thì sự suy giảm càng lớn Hơn nữa khả năng nhiễu xạ qua vất chắn trên đường truyền phụ thuộc vào độ cao tương đối của vật chắn so với bước sóng

*Truyền lan sóng không gian

Nếu hai anten thu và phát đặt cao (nhiều lần so với bước sóng công tác) trên mặt đất thì sóng có thể truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, hoặc phản xạ từ mặt đất như hình

a , hoặc lợi dụng sự không đồng nhất của một vùng nào đó trong tầng đối lưu để tán xạ sóng vô tuyến dùng cho thông tin gọi là thông tin tán xạ tầng đối lưu như hình b Các phương thức thông tin như trên gọi là truyền lan sóng không gian hay sóng tầng đối lưu

*Truyền lan sóng trời

Lớp khí quyển ở độ cao khoảng 60 km đến 600 km bị ion hoá rất mạnh chủ yếu do nănglượng bức xạ của mặt trời, tạo thành một lớp khí bao gồm chủ yếu là điện tử tự do và các ion Lớp khí quyển đó được gọi là tầng điện ly Tính chất đặc biệt của tầng điện ly là trong những điều kiện nhất định có thể phản xạ sóng vô tuyến điện Lợi dụng sự phản xạ

đó để sử dụng cho thông tin vô tuyến bằng cách phản xạ một hoặc nhiều lần từ tầng điện

ly, như hình Phương thức đó gọi là phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly

*Truyền lan sóng tự do

Trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ ví dụ như môi trường chân không , sóng vô tuyến điện khi truyền lan từ điểm phát đến điểm thu sẽ đi theo đường thẳng, như hình, không ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng Trong thực tế một môi trường lý tưởng như vậy chỉ tồn tại ngoài khoảng không vũ trụ Với lớp

khí quyển quả đất chỉ trong những điều kiện nhất định, khi tính toán cũng có thể coi như môi trường không gian tự do

Vì nguồn bức xạ là vô hướng, môi trường đồng nhất và đẳng hướng nên năng lượng sóng

điện từ do nguồn bức xạ sẽ tỏa đều ra không gian thành hình cầu Như vậy mật độ công suất (mật độ thông lượng năng lượng) ở điểm M cáchnguồn một khoảng r sẽ được xác định bằng côngthức

Theo ý lý thuyết trường điện từ ta có

+Cường độ điện trường tại điểm thu

Nhận xét: cường độ điện trường của sóng vô tuyến điện truyền lan trong môi trường đồngnhất đẳng hướng và không hấp thụ tỷ lệ thuận với căn hai công suất bức xạ, tỷ lệ nghịch với khoảng cách Khoảng cách tăng thì cường độ trường giảm vì năng lượng sóng toả rộng ra không gian, còn gọi là sự khuyếch tán tất yếu của sóng Để hạn chế sự khuếch tánnày người ta sử dụng các bộ bức xạ có năng lượng tập trung về hướng cần thông tin để làm tăng cường độ trường lên Đó chính là các anten có hướng, với hệ số hướng tính D hoặc hệ số khuếch đại G Nếu nguồn bức xạ có hướng, lúc đó năng lượng của sóng vô tuyến điện sẽ được tập trung về hướng điểm M được biểu thị bằng hệ số hướng tính hay

hệ số khuếch đại

*Công suất anten thu nhận được: bằng mật độ thông lượng công suất tại nơi đặt anten thunhận với diện tích hiệu dụng của anten thu:

Câu 4:phát biểu định nghĩa và viết biểu thức tổn hao truyền sóng?

Khi sóng vô tuyến điện truyền trong một môi trường, ngoài tổn hao do môi trường gây ra như bị hấp thụ trong các phân tử khí, trong hơi nước , tổn hao do tán xạ do mây mưa, tổn hao do vật chắn v.v thì sự suy hao lớn nhất chính là do sự khuyếch tán tất yếu của sóng ra mọi phương và được gọi là tổn hao không gian tự do Nếu ta bức xạ ra môi trường một công suất PT, anten thu chỉ nhận được một công suất PR, thì hệ số tổn hao truyền sóng được định nghĩa bằng tỉ số của công suất bức xạ trên công suất anten thu nhận được, được biểu thị bằng biểu thức:

CHƯƠNG 2

Câu 4:trình bày các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn?

* Đặc điểm truyền lan sóng cực ngắn

+Bước sóng từ 1 mm đến 10 m ( ( 30 MHz – – 300 GHz): : Là sóng siêu cao tần

(RF – – Radio Frequency)

*Phương pháp truyền

+Tần số cao nên không thể phản xạ trong tầng điện ly (đi xuyên qua)

+Bước sóng ngắn nên khả năng nhiễu xạ kém, bị hấp thụ mạnh bởi mặt đất

+Phương pháp truyền sóng không gian: : Là phù hợp nhất

-Tán xạ tầng đối lưu

-Siêu khúc xạ tầng đối lưu

-Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp

*Tán xạ tầng đối lưu

+Tồn tại các vùng không gian không đồng nhất trong tầng đối lưu

+Sóng đi vào trong vùng không đồng nhất sẽ khuyếch tán theo mọi hướng

, Lợi dụng để truyền sóng đến điểm thu

+Đặc điểm: : Không ổn định do vùng không đồng nhất luôn thay đổi

*Siêu khúc xạ tầng đối lưu

+Chỉ số chiết suất N giảm theo độ cao

+Khi tốc độ giảm đạt dN/dh < -0 , 157 (m^-1) Tia sóng có bán kính cong lớn

hơn độ cong trái đất nên quay trở lại mặt đất : Siêu khúc xạ Lợi dụng để truyền sóng đếnđiểm thu sau khi phản xạ nhiều lần trên mặt đất

+Đặc điểm: : Không ổn định do miền siêu khúc xạ luôn thay đổi

*Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp

+Hai anten thu và phát phải được đặt cao trên mặt đất để tránh bị che chắn bởi

các vật cản trên đường truyền hay độ cong của trái đất

+Sóng truyền từ phát đến thu trong miền không gian nhìn thấy trực tiếp giữa

hai anten

+Đặc điểm: : Ít phụ thuộc vào điều kiện thiên nhiên, sử dụng phổ biến

Câu 5:xây dựng công thức tính cường độ điện trường tại điểm thu khi truyền sóng trong

giới hạn nhìn thấy trực tiếp trong điều kiện lý tưởng?

*Khảo sát quá trình truyền lan sóng với điều kiện ý lý tưởng

+Mặt đất là bằng phẳng, không có vật cản trên đường truyền

+Khí quyển đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ

+Anten đặt cao trên mặt đất ít nhất vài bước sóng công tác

*Sơ đồ truyền lan sóng

Sóng đến điểm thu theo hai đường:

+ Sóng trực tiếp: Đi trực tiếp từ phát đến thu

+ Sóng phản xạ: Đến thu sau khi phản xạ từ mặt đất (chỉ có một tia thỏa mãn

định luật phản xạ)

*Cường độ điện trường tại điểm thu

+Tổng hợp cường độ trường hai sóng thành phần (giao thoa)

+Cường độ trường do tia trực tiếp

+Cường độ trường do tia phản xạ

Trong công thức hệ số G ở hướng tia tới và tia phản xạ coi như bằng nhau và bằng GT, vìtrong thực tế một tuyến vi ba bao giờ cũng thoả mãn điều kiện độ cao anten ht, hr << r, bởi vậy phương bức xạ của tia 1 và 2 gần như trùng nhau Cũng vì r >> ht, hr nên có thể coi r1≈ r2 ≈ r, ở phần biên độ Nhưng vì bước sóng công tác ở giải sóng vi ba rất bé, góc sai pha do đường đi khác nhau giữa tia trực tiếp và tia phản xạ lại không thể bỏ qua được

vì λ ≈ Δr, thay các điều kiện trên vào các công thức ta sẽ nhận được

Câu 6:xác định điều kiện truyền sóng tốt nhất?

Giá trị hiệu dụng cường độ trường của tia tới trực tiếp được xác định bởi biểu thức:

Trong khi đó, giá trị hiệu dụng cường độ trường tổng ở điểm thu được xác định bởi

Trường tổng sẽ bằng trường của tia tới trực tiếp khi thực hiện đẳng thức:

Từ đó nhận được

(2)Biểu thức này chứng tỏ rằng, với khoảng cách giữa các trạm thông tin và bước sóng cho trước, nếu chọn độ cao anten thích hợp sao cho đẳng thức (2) được thỏa mãn thì tia phản

xạ từ mặt đất sẽ không gây tác dụng làm yếu trường của tia tới trực tiếp Về mặt ý nghĩa vật lý, điều này có thể giải thích là trong trường hợp trên góc lệch pha do hiệu số đường

đi giữa hai tia bằng 60 độ,thêm vào đó là góc chậm pha 180 độ khi sóng phản xạ từ mặt đất nên giữa các vec tơ E1 và E2 sẽ có góc lệch pha chung 240 độ Do vậy độ lớn của véc

tơ tổng bằng độ lớn của các véc tơ thành phần

Câu 7:xác định công thức truyền sóng khi tính đến ảnh hưởng của địa hình lên quá trình

truyền lan sóng?

*Ảnh hưởng của độ cong trái đất

+Hiệu số đường đi giữa sóng trực tiếp và sóng phản xạ thay đổi

+Điểm phản xạ lồi nên có tính tán xạ  Hệ số phản xạ nhỏ

+Hạn chế tầm nhìn trực tiếp giữa anten thu và phát

Công thức thực nghiệm

(r0 = r, cự ly dọc theo mặt đất)

ta khảo sát bài toán truyền sóng trên mặt đất cầu

Cường độ điện trường

+Quá trình truyền sóng ở cự ly nhỏ hơn cự ly nhìn thấy trực tiếp

-Tương tự như mặt đất phẳng, chiều cao anten xác định bằng chiều cao giả định : h’ t , h’r

-Giá trị chiều cao anten giả định xác định bằng hệ số bù m (tra theo bảng hoặc

h: Độ cao của mặt đất phẳng giả định

so với mặt đất thực

góc tới tại điểm phản xạ

Câu 8:hiện tượng khúc xạ khí quyển ảnh hưởng ntn khi truyền sóng trong tầm nhìn thẳng?

Để xét đến ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển, phương pháp đơn giản nhất là coi cả hai tiatới trực tiếp và tia phản xạ trên mặt đất đều được truyền theo quỹ đạo thẳng nhưng không phải truyền lan trên mặt đất cầu bán kính a mà trên mặt cầu tưởng tượng có bán kính atd

Việc thay thế tia sóng thực và mặt đất thực bằng tia sóng đi thẳng và mặt đất tương

đương phải thỏa mãn điều kiện: độ cong tương đối giữa mặt đất thực và tia sóng thực phải bằng độ cong tương đối giữa mặt đất tương đương và tia sóng đi thẳng Nghĩa là phải thỏa mãn phương trình:

Cự ly tầm nhìn thẳng

Gọi k là tỉ số của bán kính tương đương và bán kính thực k = atd/a ta có

Với tầng đối lưu thường k = 4/3 ta có

Độ cao giả của anten

Câu 9:trình bày các dạng khúc xạ khí quyển?

Căn cứ vào sự biến đổi của chiết suất theo độ cao ta tiến hành phân loại các dạng khúc xạ khí quyển Khúc xạ khí quyển được chia làm hai loại chính

- Khúc xạ âm

Ứng với , trong trường hợp này chiết suất tăng theo độ cao và quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng lên trên, R< 0 Bán kính tương đương của trái đất sẽ nhỏ hơn bán kính thực và điều đó sẽ dẫn đến giảm cường độ điện trường ở điểm thu

- Khúc xạ dương

Ứng với , trong trường hợp này chiết suất sẽ giảm theo độ cao và quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng xuống dưới, R> 0.Khúc xạ dương được phân thành một số trường hợp sau:

1) Khúc xạ khí quyển thường: ứng với sự khúc xạ xảy ra trong tầng đối lưu

thường.Cường độ điện trường tại điểm thu trong trường hợp này lớn hơn so với trường hợp không có khúc xạ

2) Khúc xạ tới hạn: xảy ra khi

Trường hợp này bán kính cong của tia sóng bằng bán kính của trái đất, bán kính tương đương của trái đất có giá trị ∞ Sóng truyền song song với mặt đất cầu

3) Siêu khúc xạ: xảy ra khi

Trường hợp này bán kính cong của tia sóng nhỏ hơn bán kính của trái đất, bán kính tươngđương của trái đất nhỏ hơn 0 Sóng bị uốn cong trở về mặt đất và bị phản xạ trên mặt đất

bởi anten theo hướng khảo sát khi cự ly khảo sát là không đổi.

*Hàm tính hướng biên độ: : Biểu thị quan hệ của biên độ trường bức xạ theo

hướng khảo sát với cự y ly khảo sát không đổi

Hàm biên độ tương đối (chuẩn hóa)

Câu 11:độ rộng búp sóng của anten xác định ntn ?

- Là góc giữa hai hướng mà theo hướng đó công suất bức xạ giảm

+Góc bức xạ không : Công suất bức xạ hướng cực đại giảm đến “0 ”

+Góc bức xạ nửa công suất : Công suất bức xạ giảm một nửa sovới hướng cực đại

Câu 12:nêu định nghĩa và biểu thức tính hệ số tính hướng của anten?

Hệ số tính hướng

+Là tỉ số giữa mật độ công suất của anten tại một hướng xác định với mật độ

công suất của một anten chuẩn khi hai anten đặt cùng vị trí và công suất bức

xạ như nhau Anten chuẩn thường chọn anten vô hướng

,

Biên độ cường độ trường tại một hướng bất kỳ có quan hệ với hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa và giá trị cường độ trường ở hướng bức xạ cực đại theo biểu thức

Dmax: hệ số hướng tính ở hướng cực đại

Câu 13:định nghĩa và biểu thức tính hệ số tăng ích của anten?

là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất đưa vào của hai anten là như nhau và anten chuẩn (anten vô hướng) có hiệu suất bằng 1

-Hệ số tăng ích vừa biểu hiện tính hướng, vừa biểu thị tổn hao trên anten

Câu 14:cách tính công suất bức xạ đẳng hướng tương đương?

Trong một số hệ thống thông tin vô tuyến, ví dụ trong thông tin vệ tinh, công suất bức

xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, ký hiệu là EIRP Công suất này được định nghĩa:

Trong đó Pt là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và Gt là hệ số khuếch đại của anten phát Chú ý rằng, nếu bỏ qua suy hao fiđơ nối từ máy phát đến anten thì Pa = Pt

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương là công suất phát được bức xạ với anten vôhướng, trong trường hợp này có thể coi Gt = 1

Biểu thức EIRP cũng có thể tính theo đơn vị decibel

Bổ sung các Nguyên Lý

1 Nguyên lý HuyGhen

-Có tính chất sóng của sóng điện từ khi lan truyền

* Mỗi điểm nằm trên 1 mặt sóng do 1 nguồn bức xạ sóng điện từ sơ cấp gây ra => sẽ trở thành nguồn bức xạ thứ cấp mới => nguồn bức xạ thứ cấp này tạo ra nguồn bức xạ thứ cấp khác

* Ý nghĩa: - Q.trình truyền sóng từ điểm phát đến điểm thu không phải theo 1 tia mà cường độ trường tại điểm thu là do toàn bộ miền không gian xung quanh điểm phát gây ra

- Có thể xđ cường độ điện trường 1đ bất kỳ trong không gian khi biết mật độ trg của mặt sóng tạo ra nó

3.Hiện tượng Fading

(nguyên nhân gây ra méo tín hiệu)

Hiện tượng sai lạc tín hiệu thu, khi tín hiệu truyền từ anten phát ÷ anten thu nó sẽ đi theo nhiều đg khác nhau Các tia này bao gồm: các tia đi thẳng; khúc xạ(từ khí quyển);tán

xạ;phản xạ(từ các vật cản đi trên đg truyền);… Kết quả tín hiệu tại anten thu là tổng hợp của các tín hiệu này.

+Nếu tín hiệu đồng pha => cường độ tín hiệu tăng

+Nếu các tín hiệu này triệt tiêu lẫn nhau => cường độ tín hiệu tại anten thu giảm => h.tượng Fading

*Phân loại Fading

(1).Fading phẳng

-suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu như là hằng số vs toàn bộ băng tần hiệu dụng của tính hiệu

+nguyên nhân: - do truyền dẫn đa đường

- do hấp thụ (h.t sóng điện từ bị hấp thụ và bị tán xạ )=> thay đổi công suất

(2) Fading lựa chọn tần số(có đoạn bị ảnh hưởng và không ảnh hưởng)

đk: băng tần tín hiệu > băng thông của kênh truyền

-Tác hại: gây nhiễu lên các ký tự-ISI (tác động lên các tần số khác nhau,trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác

=> Biện pháp: - Phân tập(dùng nhiều anten thu phát; truyền tại nhiều thời điểm khác nhau)

- sd mạch san bằng thích nghi

- sd mã sửa lỗi để giảm BER, Trải phổ tín hiệu, sd điều chế đa sóng

mang(vd OFDM)

(3) Fading nhanh (là 1 vd của hiệu ứng Doppler)

Do sự chuyển động tương đối giữa máy thu phát=> tần số thu sẽ bị dịch dẫn đi 1 lượng dental F so vs tần số phát tương ứng

(4).Fading chậm

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền=> biên độ tín hiệu suy giảm

(h.tượng bóng râm) h.t xảy ra trên 1 khoảng cách lớn=> tốc độ biến đổi chậm

=> khắc phục: Dự trữ fading che khuất chuẩn log

4 Giải thích ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler đến quá tình truyền dẫn kênh vô tuyến di động

- Hiệu ứng gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu( phổ của tín hiệu thu đc bị xê lệch so vs tần số trung tâm 1 k.cách gọi là tần số Doppler )

+Ảnh hưởng phạm vi rộng: (ht Fading chậm)

+Ảnh hưởng phạm vi hẹp: Các đg truyền không trực tiếp này đến máy thu lệch nhau theo thồi gian và không gian=> quá trình truyền dẫn thông tin vô tuyến di động xảy ra các hiện tượng ( trải trễ, trải góc, trải doppler,