Nghiên cứu, phân tích và mô phỏng anten cho thông tin hàng hải

óng góp vào sự ph t triển m nh m của thông tin li n l c thì không thể không kể tới sự ph t triển của c c thiết bị thu ph t và khả n ng truyền lan sóng điện từ bởi l bất k một hệ thống tr

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN AN THUYÊN

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ANTEN CHO THÔNG TIN

HÀNG HẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN AN THUYÊN

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG ANTEN CHO THÔNG TIN

HÀNG HẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

MỞ U 1

CHƯ NG 1: T NG QUAN VỀ ANTEN H THỐNG TH NG TIN H NG HẢI V ANTEN D NG TRONG H NG HẢI 2

1.1 Tổng quan về anten 2

1 1 1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten 2

1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát 3

1.1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện 4

1.1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten 6

1 1 4 1 Tính định hướng 6

1.1.4.2 Phối hợp trở kháng 6

1.1.4.3 Dải tần 6

1.1.4.4 Tính phân cực 7

1.1.5 Các lo i Anten 7

1.2 Lý thuyết cơ bản về Anten 9

1.2.1 Quá trình bức x sóng điện từ 9

1.2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ 11

1.2.3 Dải tần và dải tần công tác 16

1.2.3.1 Dải thông tần 16

1.2.3.2 Dải tần công tác 16

1.2.4 Các tham số cơ bản của Anten 17

1.2.4.1 Hệ số định hướng 17

1.2.4.2 Hệ số t ng ích 19

1 2 4 3 B ng thông 21

1.2.4.4 Phân cực 22

1.2.4.5 Trở kháng vào 26

1.2.4.6 Tỷ số sóng đứng điện áp 27

1.3 Hệ thống thông tin hàng hải 27

CHƯ NG 2 ANTEN MONOPOLE 32

2.1 Giới thiệu về anten monopole 32

2.2 Cấu t o và nguyên lý ho t động 32

2.3 C c tham số của anten 33

2 3 1 Hàm hướng tính 33

2 3 2 Trường bức x 33

2.3.3 Công suất bức x điện trở bức x và hệ số tính hướng 36

2.3.4 Trở kháng sóng của anten monopole 39

2.3.5 Chiều dài hiệu dụng của Anten monopole 42

2.4 Kỹ thuật cấp nguồn cho anten 43

CHƯ NG 3 PHÂN TÍCH M PHỎNG ANTEN MONOPOLE HOẠT ỘNG Ở BĂNG T N VHF TẠI T N SỐ 160MHZ 51

3.1 Phần mềm mô phỏng HFSS 51

3.2 Mục đích thiết kế 51

3.3 Thiết kế 52

3.4 Mô phỏng 56

KẾT LUẬN 60

T I LI U THAM KHẢO 61

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TM Transverse Magnetic Wave Sóng từ ngang

TE Transverse Elctric Wave Sóng điện ngang

TEM Transverse Electromagnetic Wave Sóng điện từ ngang

HFSS High Frequency Structure Simulator Bộ mô phỏng cấu trúc tần số cao

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số điện áp sóng đứng

MSI Maritime Safety Information Thông tin an toàn

hàng hải

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Sơ đồ hệ thống thông tin 4

Hình 2 Các loại anten 8

Hình 3 Hệ thống bức xạ 8

Hình 4 Ví dụ về mạch dao động tập trung 10

Hình 5 Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực ellip là hàm theo thời gian 23

Hình 6 Cấu trúc anten monopole 32

Hình 7 Hình Đồ thị phân tích trường 34

Hình 8 Các dạng đồ thị phương hướng của anten 35

Hình 9 Xác định công suất bức xạ của anten 37

Hình 10 Sự phụ thuộc của điện trở bức xạ theo chiều dài tương đối của anten 39

Hình 11 Sự phụ thuộc của Z vA vào chiều dài tương đối của anten 42

Hình 12 Sơ đồ mắc trực tiếp anten và cáp đồng trục, không có thiết bị chuyển đổi 43

Hình 13 Cấu trúc biến đổi đối xứng dùng đoạn cáp chữ U 45

Hình 14 Cấu trúc biến đổi đối xứng sử dụng cốc kim loại 47

Hình 15 Cấu trúc biến đổi đối xứng kiểu khe 48

Hình 16 Cấu trúc biến đổi đối xứng dùng cáp phụ 49

Hình 17 Giao diện chính của phần mềm HFSS 51

Hình 18 Mô hình anten monopole dạng xoắn giữa 54

Hình 19 Mô hình xoắn dây 54

Hình 20 Mô hình anten trong mô phỏng 55

Hình 21 Cấu trúc hình học của Anten Monopole sử dụng xoắn dây 55

Hình 22 Cửa sổ chương trình mô phỏng HFSS 56

Hình 23 b) Trở kháng đầu vào anten 57

Hình 24 Đồ thị Radition Pattern 58

Hình 25 Đồ thị bức xạ dạng 3D 58

Hình 26 Hiệu suất của antenna 59

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Các thông số của anten 53

MỞ ĐẦU

Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu từ khi con người đã biết dùng lửa, tiếng động

âm thanh, các kí hiệu tượng hình để liên l c trao đổi Trải qua quá trình phát triển, nhu cầu thông tin liên l c của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế đó là nhanh, chính x c và xa N m 1894 Maxwell đã đưa ra lý thuyết về một d ng vật chất mới có thể lan truyền được đi xa và ngay cả trong chân không đó là sóng điện

từ thì thông tin đã có thể khắc phục được h n chế bởi khoảng c ch địa lý

óng góp vào sự ph t triển m nh m của thông tin li n l c thì không thể không

kể tới sự ph t triển của c c thiết bị thu ph t và khả n ng truyền lan sóng điện từ bởi

l bất k một hệ thống truyền dẫn thông tin li n l c nào cũng đều sử dụng phương thức truyền lan sóng điện từ

C c thiết bị thu ph t và truyền dẫn sóng điện từ gọi chung là Anten Anten cũng

đã xuất hiện từ lâu có thể nói nó cũng có cùng ni n đ i với thông tin liên l c mới nó được ra đời ph t triển và được ứng dụng trong c c l nh vực kh c nhau hàng hải cũng là một l nh vực không ngo i lệ Một trong số đó là nghi n cứu phát triển anten monopole cho thông tin Hàng Hải ặc điểm của anten monopole là phù hợp với hệ thống thông tin hàng hải, dễ dàng tích hợp với hệ thống Hàng hải nó còn được sử dụng rộng rãi trong công nghệ di động, m ng WLAN, anten thông minh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN, HỆ THỐNG THÔNG TIN HÀNG HẢI VÀ ANTEN DÙNG TRONG HÀNG HẢI 1.1 Tổng quan về anten

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của Anten

Anten là những hệ thống cho phép truyền và nhận n ng lượng điện từ Anten

có thể được xem như là c c thiết bị dùng để truyền n ng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất k phương tiện truyền dẫn tập trung nào như: c p đồng, ống dẫn sóng hoặc sợi quang

Trong nhiều ứng dụng, các anten có thể c nh tranh với c c phương tiện truyền dẫn kh c để phát và chuyển tải n ng lượng trường điện từ Thông thường suy hao trường điện từ trong các vật liệu s t ng nhanh theo tần số iều này được hiểu ngầm rằng, khi tần số t ng thì việc dùng các phần dẫn sóng bằng vật liệu s kém thuyết phục và kém hiệu quả trong việc chuyển tải n ng lượng trường điện từ ( iều này cũng có ngh a là hiệu suất của anten cũng t ng theo tần số) Do đó thực tế anten được ưa chuộng hơn trong việc chuyển tải c c trường điện từ ở tần số cao

Sóng điện từ, nền tảng của lý thuyết anten được xây dựng tr n cơ sở những phương trình cơ bản của điện học và từ học Maxwell đã hệ thống một cách khái quát toàn bộ lý thuyết trên thành một hệ phương trình rất nổi tiếng và rất quan trọng: hệ phương trình Maxwell Một vài mốc quan trọng trong lịch sử phát triển của anten:

N m 1886: nhà vật lý người ức Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu dùng một m ch dao động hở với lưỡng cực Hertz thì ở vùng xa lưỡng cực s hình thành trường phát x

Sau khi hoàn thành dụng cụ để chứng minh thí nghiệm của Hertz n m 1897 Popob nhà phát minh vô tuyến điện người Nga đã dùng c c dụng cụ này làm phương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn và có khả n ng truyền các tín hiệu ở khoảng cách 3 dặm

N m 1901: Guglielmo Marconi đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cách lớn Hệ thống này ho t động ở tần số khoảng 60 KHz

N m 1916: Trước n m 1916 hầu hết thông tin vô tuyến chủ yếu là điện báo Trong

n m 1916 lần đầu tiên sử dụng tín hiệu đã điều chế bi n độ để truyền tín hiệu tho i qua sóng vô tuyến

N m 1930: Người ta t o được nguồn phát klystron và magnetron có khả n ng ph t

ra tín hiệu với tần số lên đến GHz (gọi là dao động cao tần)

Từ 1940 đến nay: Anten đã được ứng dụng rất rộng rãi trong hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thi n v n vô tuyến điều khiển

từ xa …

1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật vô tuyến, thông tin liên l c dùng anten được sử dụng rộng rãi trong nhiều l nh vực Hình 1 1 là sơ đồ hệ thống thu ph t đơn giản

Ở hệ thống ph t anten đóng vai trò như là thành phần bức x sóng điện từ, nó chuyển tín hiệu điện thành n ng lượng điện từ lan truyền trong không gian Khi đến anten thu thì n ng lượng điện từ được biến đổi thành tín hiệu điện ở máy thu, ở đây tín hiệu được trả về d ng ban đầu của nó

Hình 1 Sơ đồ hệ thống thông tin

1.1.3 Vị trí của Anten trong kỹ thuật vô tuyến điện

Việc truyền n ng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện bằng hai con đường Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dây song hành c p đồng trục, ống dẫn sóng v v… “chuy n chở” sóng điện từ trực tiếp trên đường truyền dưới d ng dòng điện Sóng điện từ lan truyền trong hệ thống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến)

Cách truyền này tuy có độ chính x c cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền Hơn nữa với khoảng c ch kh xa hay địa hình phức

t p không thể xây dựng được đường truyền hữu tuyến thì cách truyền này được thay thế bằng c ch cho sóng điện từ bức x ra môi trường tự do Sóng s được truyền đi dưới d ng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi ph t đến nơi thu Vậy cần phải có một thiết bị ph t sóng điện từ ra không gian cũng như thu nhận sóng điện từ từ không gian để đưa vào m y thu Lo i thiết bị này được gọi là anten

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất k hệ thống vô tuyến điện nào vì đã là hệ thống vô tuyến có ngh a là hệ thống đó có sử dụng sóng điện

từ, thì không thể không dùng đến thiết bị bức x hoặc thu sóng điện từ

Ví dụ, một hệ thống liên l c vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu Thông thường giữa m y ph t và anten ph t cũng như giữa máy thu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền n ng lượng điện từ gọi là fide Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ t o ra dao động điện cao tần Dao động điện s được truyền đi theo fide tới anten ph t dưới d ng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổi thành sóng điện từ tự do bức x ra không gian Cấu t o của anten s quyết định đặc tính biến đổi n ng lượng điện từ nói trên

Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nó tiếp thu sóng điện từ tự do

từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng này s được truyền theo fide tới máy thu, còn một phần s bức x trở l i vào không gian (bức x thứ cấp)

Yêu cầu của thiết bị anten - fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi

n ng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo d ng tín hiệu

Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến thi n v n vô tuyến điều khiến từ xa…

Anten được sử dụng với các mục đích kh c nhau cũng có những yêu cầu khác nhau Với c c đài ph t thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức x đồng đều trong mặt phẳng ngang để cho c c m y thu đặt ở c c hướng bất k đều có thể thu được tín hiệu của đài ph t Song anten l i cần bức x định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đ i song song với mặt đất để c c đài thu tr n mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ n ng lượng bức x theo c c hướng không cần thiết

Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến điều khiển…thì y u cầu anten bức x với hướng tính cao ngh a là sóng bức x chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian

Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ đơn giản là biến đổi n ng lượng điện

từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức x sóng ấy theo những hướng nhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước

Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong c c l nh vực thông tin rada điều khiển … cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức x hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức x , hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten, hệ thống cung cấp tín hiệu bảo đảm việc phân phối n ng lượng cho các phần tử bức x với các yêu cầu khác nhau, hoặc hệ thống gia công tín hiệu

1.1.4 Những yêu cầu cơ bản của Anten

Những yêu cầu cơ bản đối với anten được x c định bởi nhiệm vụ của thiết bị

vô tuyến điện, chẳng h n yêu cầu về:

1.1.4.1 Tính định hướng

Anten của c c đài truyền thanh, truyền hình phải phát x đều theo mọi phía dọc mặt đất, còn trong radar thông tin cần phải phát x trong một hình qu t hẹp nhằm để tập trung n ng lượng về phía đài đối Anten cũng phải có tính chất thu định hướng, cùng với độ chọn lọc của máy thu, tính chọn lọc theo hướng của anten là phương tiện chống nhiễu có hiệu quả

vào ban ngày và ban đ m Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau mà không có sự thay đổi đ ng kể về chất lượng

1.1.4.4 Tính phân cực

Tính phân cực cũng phải tùy yêu cầu cụ thể Chẳng h n anten phải đặt trên vật thể bay phát x trường phân cực tuyến tính (hướng vectơ điện trường không thay đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực tròn hay phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu k dao động v n n đường tròn hay elip)

Ngoài ra để đảm bảo khả n ng thông tin theo kiểu tán x từ các miền bất đồng nhất của tầng đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của anten phải thay đổi theo một chương trình nhất định

ể đ nh gi được anten thực hiện nhiệm vụ và thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật đề ra như thế nào ta thường dùng các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của anten sau đây:

Nhóm c c đặc trưng: ặc trưng hướng đặc trưng pha đặc trưng phân cực

Nhóm các tham số: Hệ số tác dụng định hướng, hiệu suất, hệ số khuếch đ i, chiều dài hiệu dụng, diện tích hiệu dụng, trở kh ng vào…

1.1.5 Các loại Anten

Trong thực tế ta thường gặp một số lo i anten như: Anten dây (thanh) anten khe, anten vi dải, anten phản x , anten thấu kính, và hệ thống bức x

Hình 2 Các loại anten

Hình 3 Hệ thống bức xạ

1.2 Lý thuyết cơ bản về Anten

1.2.1 Quá trình bức xạ sóng điện từ

Về nguyên lý, bất k hệ thống điện từ nào có khả n ng t o ra điện trường hoặc từ trường biến thi n đều có khả n ng bức x sóng điện từ Tuy nhiên trong thực tế sự bức x sóng điện từ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định

ể ví dụ ta xét một m ch dao động có kích thước rất nhỏ so với bước sóng Nếu đặt vào m ch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ điện s phát sinh một điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm s phát sinh một từ trường biến thiên Những điện trường, từ trường này hầu như không bức

x ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong m ch Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điện n n n ng lượng điện trường bị giới h n trong khoảng không gian ấy Còn n ng lượng từ trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm N ng lượng của cả hệ thống s được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và điện môi của m ch

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện (hình 1 4b) thì dòng điện dịch s không chỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận s lan tỏa ra môi trường ngoài và có thể truyền tới những điểm nằm cách xa nguồn (nguồn điện trường là c c điện tích biến đổi trên hai má tụ điện)

Nếu mở rộng hơn nữa kích thước của tụ điện (hình 1.4 c, d) thì dòng điện dịch s lan tỏa ra càng nhiều và t o ra điện trường biến thiên với bi n độ lớn hơn trong khoảng không gian b n ngoài Khi đ t tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng s thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn ngh a là không còn li n hệ với c c điện tích trên hai má tụ điện nữa Thật vậy, nếu ta quan s t c c đường sức điện trường ở gần tụ điện thì thấy chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là c c điện tích trên hai má tụ điện Do đó gi trị của điện trường ở những điểm nằm tr n đường sức

ấy s biến thi n đồng thời với sự biến thiên của điện tích trên hai má tụ điện

Hình 4 Ví dụ về mạch dao động tập trung

Nhưng nếu xét một điểm M cách xa nguồn thì có thể thấy rằng t i một thời điểm nào đó điện trường t i M có thể đ t một giá trị nhất định trong lúc điện tích trên hai má tụ điện biến đổi qua l i giá trị 0 Khi ấy các đường sức điện trường s không còn ràng buộc với c c điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian ngh a là đã hình thành một trường xoáy Theo quy luật của điện trường biến thi n thì điện trường xoáy s t o ra một từ trường biến đổi, từ trường này s tiếp tục

t o ra một điện trường xo y ngh a là đã hình thành một qu trình sóng điện từ

Phần n ng lượng thoát ra ngoài và truyền đi trong không gian tự do được gọi

là n ng lượng bức x hay n ng lượng hữu công Phần n ng lượng điện từ ràng buộc với nguồn s dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc t o thành sóng điện

từ được gọi là n ng lượng vô công

Ta nhận thấy rằng, một hệ thống bức x điện từ có hiệu quả là một hệ thống

mà trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có khả n ng thâm nhập được nhiều vào không gian b n ngoài ể t ng cường khả n ng bức x của các hệ thống,

ta cần mở rộng hơn nữa không gian bao trùm của các đường sức điện trường Dipole Hertz là một cấu trúc bức x có hiệu quả Nó được hình thành từ các hệ thống điện từ nói trên với sự biến d ng hai tấm kim lo i của tụ điện thành hai đo n dây dẫn mảnh và hai quả cầu kim lo i ở hai đầu Dipole Hertz là một trong các nguồn bức x đơn giản nhất và là phần tử để cấu trúc thành các anten dây phức t p

1.2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ

Giả sử sóng điện từ truyền lan trong môi trường không tổn hao Trong chế độ dao động điều hòa, giá trị tức thời của một trong các thành phần bất k của vectơ ̅ hoặc ̅̅̅ trên trục của hệ to độ vuông góc s có d ng:

Như đã biết vận tốc pha chỉ đặc trưng cho quan hệ pha của c c dao động điều hòa t i c c điểm khác nhau của không gian khi c c dao động ấy đã được sinh ra và xác lập ở mọi nơi

Giả sử ở điểm z = 0 có tín hiệu biến đổi theo thời gian với quy luật f(t)

Khảo sát ở c c điểm khác nhau trên trục z, khi t > 0, tín hiệu ấy có d ng như thế nào Nói cách khác, ta s x c định hàm f(t, z) nếu biết hàm f(t,0) và biết c c đặc tính của môi trường mà sự truyền sóng xảy ra trong đó

áp dụng tích phân Fourier

Giả sử phổ thực của tín hiệu được giới h n bởi các tần số

và + , ngoài ra ( là tần số trung bình của phổ) Khi

đó tích phân trong (1 4) s được lấy trong khoảng ω + , còn tích phân trong (1.5) s được lấy trong khoảng + , ở đây

= là giá trị trung bình ứng với tần số trung bình và vận tốc pha ở tần số ấy,

Do đó (1 5) có d ng:

Sau đó thay (1 7) vào (1 6)

Với khoảng cách phân tích nhỏ, có thể chỉ cần lấy hai số hàng đầu trong dãy khai triển (1.7) Khi ấy tích phân (1.6) s trở thành:

Giả thiết A(ξ) là hàm li n tục, biến đổi chậm Khi đó trong khoảng nhỏ [ ]

nó có thể được coi là hằng số, bằng A( Trong trường hợp này

t z d

Vì nhỏ nên hàm số

0

sin2

,

d

t z d

d

t z d

Từ (1 9) khi t ng thời gian đường bao s dịch chuyển theo trục z và cực đ i t i điểm t – z = 0

Vận tốc chuyển động theo trục z của cực đ i này bằng:

Suy ra:

1

f nh

f f

d

d d

Trong vật lý, sự phụ thuộc của vận tốc pha với tần số dao động được gọi là

sự tán tần còn môi trường mà trong đó có xảy ra hiện tượng này được gọi là môi trường tán tần

Hệ thống định hướng mà chúng ta đang xét cũng có đặc tính trên

1 th c

f m

f f

1.2.3 Dải tần và dải tần công tác

1.2.3.1 Dải thông tần

Ngoài c c đặc tính bức x của anten về n ng lượng, khi khảo sát anten còn cần lưu ý đến một đặc tính quan trọng nữa là dải thông tần ngh a là dải tần số mà trong giới h n ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức x hoặc thu phổ của tín hiệu không bị méo d ng

Thông thường trở kháng vào của mỗi anten là một hàm số của tần số Do đó nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (tín hiệu xung, tín hiệu số, tín hiệu vô tuyến truyền hình …) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ bi n độ tương đối của dòng điện đặt vào anten (trong trường hợp anten là một anten phát) hoặc sức điện động thu được (trong trường hợp anten là một anten thu) s biến đổi, làm thay đổi d ng phổ của tín hiệu Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào của anten theo tần số s dẫn đến tình tr ng lệch phối hợp trở kháng và xuất hiện sóng phản x trong fide Khi một tín hiệu có phổ rộng truyền qua fide thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ s có sự trễ pha khác nhau và gây ra méo d ng tín hiệu Vì vậy tốt nhất là phải bảo đảm được trong suốt dải tần số làm việc = const và = 0

Ngoài ra, vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì bi n độ tương đối của cường độ trường bức x (hoặc thu được) đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây méo d ng tín hiệu Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm và trong thực tế độ rộng dải tần của anten được quyết định chủ yếu bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào anten với tần số

1.2.3.2 Dải tần công tác

Có nhiều trường hợp chúng ta đòi hỏi anten không chỉ làm việc được ở một tần số mà nó phải có thể làm việc ở mọi tần số khác nhau Ứng với mỗi tần số khác nhau ấy anten phải đảm bảo những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thông tần … Dải tần mà trong giới h n đó anten làm

việc với các chỉ tiêu kỹ thuật đã cho gọi là dải tần công tác của anten Chỉ tiêu kỹ thuật này có thể kh c nhau đối với từng lo i anten cụ thể Ví dụ đối với anten chấn

tử không đối xứng đặt thẳng đứng dùng làm anten phát ở dải sóng dài và sóng trung thì yêu cầu là trong dải tần số công tác, hiệu suất anten không được nhỏ hơn một giá trị nhất định, anten phải có khả n ng ph t đi một công suất đã cho và đảm bảo dải thông tần cần thiết ối với trở kháng vào thì không cần yêu cầu có giá trị nhất định

mà khi thay đổi tần số công tác ta có thể điều chỉnh l i để phối hợp trở kh ng ối với chấn tử đối xứng nằm ngang dùng trong dải sóng ngắn thì yêu cầu đặc tính phương hướng của chấn tử phải có hướng bức x cực đ i không thay đổi khi thay đổi tần số công t c để đảm bảo hướng thông tin cố định, yêu cầu trở kháng vào chỉ biến đổi trong một giới h n cho phép để có thể mau lẹ chuyển tần số công tác mà không cần điều chỉnh l i m ch phối hợp trở kháng của anten…

C n cứ theo dải tần công tác, có thể phân lo i anten thành bốn nhóm:

Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):

0

10%

f f

1

f f

Anten dải tần siêu rộng: max

min

41

hướng Cường đồ bức x trung bình bằng tổng công suất bức x bởi anten chia cho 4ᴨ Nếu hướng không được x c định hướng của cường độ bức x cực đ i được chọn”

ơn giản hơn hệ số định hướng của một nguồn bức x hướng tính bằng với tỉ lệ của cường độ bức x theo một hướng cho trước (U) và cường độ bức x của một nguồn đẳng hướng ( ):

Ở đó D là hướng tính (không có thứ nguyên)

là hướng tính cực đ i (không có thứ nguyên)

U là cường độ bức x (W/đơn vị góc khối)

là cường độ bức x cực đ i (W/đơn vị góc khối)

là cường độ bức x của nguồn đẳng hướng (W/đơn vị góc khối)

P là tổng công suất bức x (W) rad

Với nguồn đẳng hướng, hiển nhiên từ (1.14) hay (1.14a) ta nhận thấy rằng hướng tính bằng 1 khi U, và bằng nhau

Với anten có các thành phần phân cực trực giao chúng ta định ngh a hệ số định hướng riêng (partial directivity), theo một phân cực cho trước và một hướng cho trước, là tỉ lệ của cường độ bức x tương ứng với một phân cực cho trước chia cho tổng cường độ bức x trung bình trên tất cả c c hướng Với định ngh a này thì theo một hướng cho trước “hệ số định hướng tổng là tổng của các hệ số định hướng

ri ng” Trong hệ tọa độ cầu hướng tính cực đ i với các thành phần tọa độ θ và

ϕ của anten có thể được viết là:

Ở đó là cường độ bức x theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc θ

là cường độ bức x theo một hướng cho trước chỉ phụ thuộc ϕ

là công suất bức x theo tất cả c c hướng chỉ phụ thuộc vào θ

là công suất bức x theo tất cả c c hướng chỉ phụ thuộc vào ϕ

1.2.4.2 Hệ số tăng ích

Một đơn vị kh c để mô tả hiệu suất của anten là hệ số t ng ích (G) Hệ số

t ng ích của anten có quan hệ với hệ số định hướng và là đơn vị dùng để tính toán hiệu suất của anten cũng như khả n ng hướng tính của nó Trong khi hệ số định hướng chỉ thể hiện được đặc tính hướng tính của anten

Hệ số t ng ích được x c định bằng cách so sánh mật độ công suất bức x của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức x của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng c ch như nhau với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn là anten có hiệu suất bằng 1 (không tổn hao)

Cường độ bức x của anten đẳng hướng bằng với công suất đặt vào anten chia cho 4ᴨ (do ta giả thiết anten chuẩn có hiệu suất bằng 1, nên công suất bức x bằng công suất đặt vào anten) Do đó ta có:

G = 4ᴨ

=>  ,

4

in

U G

có thể được viết như sau theo d ng tương tự như hệ số định hướng cực đ i trong (1.22a) và (1.22b):

in

U G

Trong đó: là tổng công suất đưa vào anten

là cường độ bức x theo một hướng cho trước chứa trong thành phần truờng

là cường độ bức x theo một hướng cho trước chứa trong thành phần trường Thường thì hệ số t ng ích được biểu diễn theo khái niệm dB Công thức tương ứng được cho bởi:

f BW

Bởi vì c c đặc tính như trở kháng vào, giản đồ bức x , hệ số t ng ích, phân cực … của anten không biến đổi giống nhau theo tần số, nên có nhiều định ngh a

b ng thông kh c nhau Tùy từng ứng dụng cụ thể, yêu cầu về c c đặc tính của anten được chọn thế nào cho phù hợp

1.2.4.4 Phân cực

Phân cực của anten theo một hướng cho trước được định ngh a như sau: “là phân cực của sóng được truyền đi bởi anten Chú ý: khi không đề cập tới hướng nào, phân cực được xem là phân cực theo hướng có hệ số t ng ích cực đ i”

Sự phân cực của sóng bức x được thể hiện bởi đầu mút của vector điện trường tức thời và hướng mà nó v ch theo khi quan sát dọc theo hướng truyền sóng Một đường v ch theo bởi đầu mút của vector điện trường là hàm của thời gian được thể hiện trong hình 1.5(a) và (b)

(a)

(b)

Hình 5 Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực ellip là hàm theo thời gian

(a) Sự quay của vector điện trường

(b) Phân cực ellip ở z = 0

Phân cực phân thành 3 lo i: thẳng, tròn và ellip Nếu đầu mút vector điện trường ở một điểm trong không gian luôn hướng theo một đường thẳng trường này được gọi là phân cực tuyến tính Tổng qu t đầu mút vector điện trường v ch ra là một ellip và trường được gọi là phân cực ellip Phân cực tuyến tính và tròn là truờng hợp đặc biệt của phân cực ellip ầu mút vector điện trường quay theo chiều kim đồng hồ (clockwise, CW) gọi là phân cực phải và ngược kim đồng hồ (counterclockwise, CCW) gọi là phân cực trái

Trường tức thời của sóng phẳng khi sóng này truyền theo chiều âm trục z, có thể được biểu diễn như sau:

= - = {

( ) ( )

Nếu hướng truyền sóng bị đảo ngược (ví dụ theo hướng +z) c c độ lệch pha trong (1.31) và (1.32) cho hướng CW và CCW phải trao đổi cho nhau

 Phân cực ellip

Phân cực ellip có thể đ t được chỉ khi độ lệch pha theo thời gian giữa 2 thành phần là một số lẻ lần và bi n độ của chúng không bằng nhau hay độ lệch pha giữa 2 thành phần không là bội của (không quan tâm đến bi n độ của chúng) ó là:

lệ bán trục lớn và bán trục nhỏ của ellip được gọi là hệ số trục (axial ratio, AR), và bằng với:

AR = =

1.2.4.5 Trở kháng vào

Trở kh ng vào được định ngh a như sau: “trở kháng của anten t i điểm đầu vào của nó hay tỉ số điện áp so với dòng điện t i đầu vào hay tỉ số của các thành phần tương ứng của điện trường so với từ trường ở một điểm” Trong phần này, chúng ta quan tâm chủ yếu tới trở kháng vào t i đầu vào của anten Tỉ số điện áp

tr n dòng điện ở đầu vào này, không có tải x c định trở kháng của anten như sau:

Trong đó là trở kháng của anten ở c c đầu vào (Ohm)

là điện trở của anten ở c c đầu vào (Ohm)

là điện kháng của anten ở c c đầu vào (Ohm)

Nói chung, thành phần điện trở trong (1.56) bao gồm 2 thành phần là:

Trong đó là điện trở bức x của anten

là điện trở mất mát của anten

Trở kháng vào của một anten nói chung là hàm của tần số Do đó anten chỉ được phối hợp tốt với đường tiếp điện chỉ trong cùng một dải tần nào đó Th m nữa,

trở kháng vào của anten phụ thuộc vào các yếu tố như: hình d ng của anten phương pháp tiếp điện cho anten, và ảnh hưởng của c c đối tượng bao quanh nó Do sự phức t p của chúng, chỉ một lượng giới h n các anten thực tế được nghiên cứu và phân tích tỉ mỉ Với các lo i anten khác, trở kh ng vào được x c định bằng thực nghiệm

b n sử dụng công suất thấp khi triển khai m ng WLAN Phương thức thay đổi VSWR bao gồm việc sử dụng thiết bị thích hợp, kết nối chắc chắn giữa c p và đầu nối, sử dụng trở kh ng tương thích giữa các thiết bị phần cứng và sử dụng các thiết

bị chất lượng cao là c c phương thức tốt chống l i VSWR Tỷ số này thường là 1,5:1

1.3 Hệ thống thông tin hàng hải

Ngày này ngành giao thông vận tải đường biển trên thế giới nói chung và Việt Nam nói ri ng đang tr n đà ph t triển m nh Cùng với sự phát triển này thông tin liên l c càng trở nên quan trọng và đóng vai trò mật thiết với cuộc sống Nó được ứng dụng rộng rãi trong mọi l nh vực của cuộc sống như hàng hải, hàng không Với nhiều mục đích kh c nhau như thông tin công cộng, thông tin thông thường và thông tin phục vụ cho mục đích cứu hộ, cứu n n Sự phát triển của ngành

vô tuyến điện hàng hải giúp cho việc truyền thông tin giữa tàu với bờ, tàu với tàu và

bờ với tàu được nhanh hơn an toàn và chính x c hơn Nó giúp cho ngành hàng hải