Bài giảng môn học TRUYỀN SÓNG ANTEN radiowave propagation and antenna

- Sóng điện từ có 2 thành phần: Điện trường E V/mTừ trường H V/m đây là hai đại lượng vectơ có phương, chiều, độ lớn có quan hệ mật thiết với nhau trong quá trình sóng truyền lan trong

Trang 1

Bài giảng môn học

TRUYỀN SÓNG & ANTEN

Radiowave Propagation and Antenna

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ BẮC HÀ

Trang 2

 Tên học phần :

Truyền sóng và anten (Radiowave Propagation and Antenna)

 Thời lượng kiến thức :

- Kỹ năng: Sinh viên có thể tự tìm hiểu thông tin bài học, nội dung có liên quan và áp dụng những kiến thức cơ bản vào thực tế.

MỞ ĐẦU

Trang 3

 Nội dung học phần :

Chương 1: Cơ sở truyền sóng vô tuyến

Chương 2: Truyền lan sóng cực ngắn

Chương 3: Lý thuyết chung về anten

Chương 4: Chấn tử đối xứng

Chương 5: Anten dùng trong thông tin viba

 Tài liệu tham khảo :

1 Nguyễn Phạm Anh Dũng, Phạm Thị Thúy Hiền, Truyền sóng

- Anten, Bài giảng, Học viện công nghệ BCVT, 12/2006

2 Phan Anh, Trường điện từ và truyền sóng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2002

3 Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB KHKT, 2004

MỞ ĐẦU

Trang 4

 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên TCCN :

 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên CĐCQ và CĐLT :

MỞ ĐẦU

2 3

2

* 1

* ,

Thi GK

CC B

GK: Điểm thi giữa kỳ (hệ số 2 - thang điểm như A,B)

7 , 0

* 2

, 0

* 1

, 0

CC

A: Điểm kết thúc học phần (thang điểm 10, làm tròn đến số nguyên)

CC: Điểm chuyên cần (nghỉ 3 tiết trừ 1 điểm - trọng số 10% - thang điểm như A GK: Điểm thi giữa kỳ (trọng số 20% - thang điểm như A)

Trang 6

Chương 1: Cơ sở truyền sóng vô tuyến

NỘI DUNG 1.1 Một số khái niệm cơ bản

1.2 Tính chất cơ bản của sóng điện từ

1.3 Phân loại sóng điện từ

1.4 Vấn đề phân cực sóng

1.5 Truyền lan sóng trong không gian tự do

1.6 Bài tập

Trang 7

Chương 1 - Phần 1.1

1.1 Một số khái niệm cơ bản :

1.1.1 Mô hình hệ thống viễn thông

Trang 8

- Không gian giữa các hành tinh

1.1.3 Phương tiện truyền sóng

Sóng điện từ (sóng vô tuyến) Bình lưuĐiện ly

Trái đất Đối lưu

Trang 9

- Sóng điện từ có 2 thành phần: Điện trường E (V/m)

Từ trường H (V/m) đây là hai đại lượng vectơ (có phương, chiều, độ lớn) có quan

hệ mật thiết với nhau trong quá trình sóng truyền lan trong không gian.

- Sóng điện từ lan truyền trong mọi môi trường kể cả trong môi trường chân không

Trang 10

1.2 Tính chất cơ bản của sóng điện từ :

- Sóng điện từ là sóng ngang

(có phương truyền sóng vuông

góc với phương dao động của

Trang 11

- Nghiên cứu với sóng điện từ phẳng, truyền lan trong môi trường điện môi đồng nhất và đẳng hướng

 Biểu diễn sóng điện từ bằng hệ phương trình Maxoel vi phân:

+ Giải hệ:

)1.1(

H t

E

y x



 : Hệ số điện môiHệ Hệ số điện môisố Hệ số điện môiđiện Hệ số điện môimôi

: Hệ số điện môiHệ Hệ số điện môisố Hệ số điện môitừ Hệ số điện môithẩm z: Hệ số điện môiCự Hệ số điện môily Hệ số điện môitruyền Hệ số điện môisóng t: Hệ số điện môiThời Hệ số điện môigian

Trang 12

- Trở kháng sóng Z: biểu thị ảnh hưởng của môi trường tới quá trình truyền sóng

+ Trong không gian tự do

8

0 0

0

v

10

4 10 H / m ; 36 F/ m1

Trang 13

- Biến đổi Fourier biểu diễn sóng điện từ dưới dạng tín hiệu điều hòa

k: Hệ số sóng (pha), đặc trưng cho sự thay đổi pha của sóng

 Nhận xét: Khi sóng truyền lan, tại mỗi điểm thành phần từ trường và

điện trường có pha như nhau và biên độ liên hệ qua công thức (1.5)

Trang 14

- Thông lượng năng lượng (mật độ công suất) của sóng điện

Trang 15

1.2.4 Mặt sóng

- Là quỹ tích những điểm trong không gian tại đó sóng điện từ

có pha như nhau và cường độ bằng nhau

- Hai dạng mặt sóng đặc biệt: mặt sóng phẳng và mặt sóng cầu

- Quá trình truyền lan sóng điện từ (tính chất sóng)

+ Sóng điện từ bức xạ ra không gian dưới dạng vô số các mặt sóng liên tiếp

+ Nguồn bức xạ sóng điện từ chỉ đóng vai trò là nguồn bức xạ sơ cấp

+ Trong quá trình truyền lan, các mặt sóng được tạo ra đóng vai trò là nguồn bức xạ thứ cấp tạo ra các mặt sóng khác tiếp sau đó.

Trang 16

1.3 Phân loại sóng điện từ :

1.3.1 Phân loại theo đặc tính điện - từ

- Sóng TEM (Transverse Electromagnetic): là sóng không có E hoặc H theo hướng truyền sóng

- Sóng TE (Transverse Electric): là sóng có H (không có E) theo hướng truyền sóng

- Sóng TM (Transverse Magnetic): là sóng có E (không có H) theo hướng truyền sóng

E H

z TEM

E H

H (không có E) TE

E H

E (không có H) TM

Trang 17

1.3.1 Phân loại theo băng sóng

Để thuận tiện cho việc ứng dụng sóng điện từ vào cuộc sống, chia thành 11 băng sóng, mỗi băng sóng được ứng dụng cho các lĩnh vực khác nhau:

- Băng 1: Ứng dụng cho lĩnh vực nghiên cứu vật lý

- Băng 2: Ứng dụng cho thông tin dưới nước, trong lòng đất

- Băng 3: Ứng dụng cho hệ thống đạo hàng, định vị và thông tin

di động trên biển.

- Băng 4: Ứng dụng cho hệ thống đạo hàng, định vị và thông tin

di động trên không.

Trang 18

- Băng 5: Phát thanh AM, hàng hải, trạm thông tin duyên hải, chỉ dẫn tìm kiếm.

- Băng 6: Điện thoại, điện báo, phát thanh sóng ngắn

- Băng 7: Phát thanh FM, điều khiển giao thông; cảnh sát, taxi

- Băng 8: Tivi số, thông tin vệ tinh, do thám, rada giám sát

- Băng 9: Hàng không, viba, thông tin di động, vệ tinh.

- Băng 10: Vô tuyến thiên văn, rada, vệ tinh

- Băng 11: Nghiên cứu khoa học, thí nghiệm

Trang 19

Băng sóng Băng tần Tần số Bước sóng

Tần số vô cùng thấp ULF 30-300Hz trên 1000km Tần số cực thấp ELF 300-3000Hz 1000-100km Tần số rất thấp VLF 3-30KHz 100km-10km

Dưới mm sub mm 300-3000GHz dưới 1mm

Các băng sóng điện từ

Trang 20

1.3.1 Phân loại theo phương thức truyền sóng

Trang 21

+ Sóng truyền tốt trên mặt nước, đất ẩm

+ Khả năng nhiễu xạ mạnh, cho phép truyền lan qua các vật chắn + Sử dụng cho băng sóng dài và trung với phân cực đứng

Thu Phát

+ Đất có tính dẫn điện càng cao

thì suy hao sóng càng nhiều

Trang 22

b Sóng không gian

- Nguyên lý:

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

+ Phương thức này sử dụng cho tất cả các hệ thống thông tin viễn thông (viba số; điện thoại di động)

- Đặc điểm:

+ Sóng chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường

+ Tia sóng trực tiếp bị giới hạn bởi chiều cao anten; độ cong của mặt đất; do đó khoảng cách

Trang 23

Các sóng phản xạ có biên độ và pha không giống nhau

Nếu khoảng cách truyền tin lớn hơn 1 số lẻ lần bước sóng, thì ở ATT sóng phản xạ lệch pha 180 độ so với sóng trực tiếp

+ Sóng phản xạ từ tầng đối lưu

Trang 25

+ Môi trường chỉ tồn tại trong vũ trụ, dùng cho thông tin vũ trụ

+ Bầu khí quyển trái đất trong một số điều kiện nhất định được coi

là không gian tự do

Trạm trên mặt đất

Trang 29

1.5 Truyền lan sóng trong không gian tự do :

 Bức xạ đẳng hướng (vô hướng) - omnidirectional: là khi anten bức

xạ sóng điện từ dưới dạng hình cầu ra không gian tự do theo tất cả các hướng (theo trục ngang - song song mặt đất và bị giới hạn bởi trục dọc - vuông góc mặt đất)

- Ưu điểm: vùng phủ sóng rộng

- Nhược điểm: lãng phí tài phát, tính bảo nguyên, công suất mật kém

 Bức xạ định hướng (có hướng) - directional: là khi anten bức xạ sóng điện từ tập trung vào 1 hướng nhất định Phổ hẹp, các thiết bị thu sóng phải nằm chính xác trong phạm vi phát sóng mới thu được sóng

- Ưu điểm: tiết kiệm được tài nguyên, công suất phát do tập trung năng lượng vào 1 hướng

- Nhược điểm: đòi hỏi độ chính xác cao khi đặt thiết bị thu sóng

Trang 30

1.5.1 Công thức tính mật độ công suất, cường độ E

- Bài toán:

+ Không gian tự do (đồng nhất, đẳng hướng, không hấp thụ, hệ số điện môi = 1)

+ Nguồn bức xạ đẳng hướng, công suất phát P1(W) đặt tại T

- Yêu cầu: Xét trường tại điểm R cách T một khoảng r(m)

 Giải bài toán:

1 m 2

r

(P1-W)

- Vì nguồn bức xạ đẳng hướng nên năng

lượng bức xạ thành hình cầu  mật độ công

suất S tại R cách T khoảng r:

4

2 2

1

r

P S





Trang 31

+ Theo lý thuyết trường:



120

;

2 h h h h h

E Z

E H

H E

- Từ (1.8) và (1.9) ta có

E h , Hệ số điện môiH h : Hệ số điện môiCường Hệ số điện môiđộ Hệ số điện môiđiện Hệ số điện môitrường, Hệ số điện môitừ Hệ số điện môitrường Hệ số điện môihiệu Hệ số điện môidụng

Z 0 : Hệ số điện môiTrở Hệ số điện môikháng Hệ số điện môisóng Hệ số điện môicủa Hệ số điện môikhông Hệ số điện môigian Hệ số điện môitự Hệ số điện môido

) 9 1

( 120

2 2

/ (

30 1

m

V r

- Để hạn chế sự khuếch tán sóng, phải dùng anten có hướng

Trang 32

- Anten có hướng có hệ số hướng tính D hoặc hệ số khuếch đại G:

R; P2

bức xạ

vô hướng

T;

P1

bức xạ

có hướng

- Vì nguồn bức xạ có hướng  năng lượng tập trung vào điểm R

 /  ( 1 11 ) 4

2 1 1

r

D P S



r

D P

Trang 33

- Nếu cự ly r (km) và công suất phát P1(kW) thì công thức tính cường

độ trường hiệu dụng được tính đơn giản hơn

) 14 1 ( ) / (

.

173 1( ) 1

a m

mV r

D

P E

.

245 1( ) 1

b m

mV r

D

P E

.

245 1( ) 1 ( )

m mV

e r





Trang 34

1.5.2 Công thức tính công suất nhận được của ATT

- Là tích giữa mật độ công suất tại điểm thu S2 và diện tích hiệu dụng

2 2

.10

.33,

2 2 1 ) ( 1 3

r

D D

P P

Trang 35

(

1

4

2 1

2

1

D D

r P

P L

- Nếu tính theo đơn vị dB thì

) ( lg

10 lg

10 45

, 92 lg

20 lg

20

) ( 45 , 92 lg

20 lg

20

2 1

) ( )

(

) ( )

( 0

dB D

D r

f L

dB r

f L

km GHz

td

km GHz

Trang 36

- Cường độ trường hiệu dụng

- Mật độ công suất tại ATT (nguồn bức xạ có hướng)

) 20 1 ( ) / (

.

30 1

m V

F r

P

E h 

) 21 1 ( )

/ (

4

2 1





- Tổn hao không gian tự do (nguồn bức xạ có hướng)

) 22 1

(

1

.

4

2 1

2

D D F

Trang 37

1.6 Bài tập chương 1

Bài 1: Một máy phát có công suất 3W, anten phát có hệ số khuếch đại là 30

làm việc 100% Tính công suất sóng mang nhận được ở anten thu.

Bài 2: Xác định công suất máy phát cần thiết để thực hiện tuyến thông tin có các điều kiện: cự ly thông tin 50km, tần số công tác 2Ghz, hệ số khuếch đại

Bài 3: Một máy phát có công suất 50 W Biểu diễn công suất máy phát sang đơn vị dBm và dBW?

Bài 4: Công suất ở bài 3 được cấp cho anten vô hướng làm việc với sóng mang có tần số 900 MHz, tìm công suất thu (tính theo dBm) tại điểm cách anten phát một khoảng 10 km Giả sử anten thu có hệ số khuếch đại là 2 và sóng truyền trong không gian tự do.

Bài 5: Số liệu như bài 3 và 4, tính biên độ cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm đặt anten thu

Trang 38

- Mật độ công suất tại điểm cách xa nguồn 1000m

- Mật độ công suất tại điểm cách xa nguồn 20km

- Cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu

Bài 9: Một anten phát có hệ số khuếch đại 30dB, hiệu suất làm việc 60% Để

có cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu cách anten phát 100km bằng 3,46mV/m thì cần phải đưa vào anten công suất là bao nhiêu, với điều kiện sóng truyền trong không gian tự do

Trang 40

Chương 2: Truyền lan sóng cực ngắn

NỘI DUNG 2.1 Khái quát

2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng

2.3 Ảnh hưởng của độ cong trái đất

2.4 Ảnh hưởng của độ mấp mô của mặt đất 2.5 Ảnh hưởng của tầng đối lưu

2.6 Bài tập

Trang 41

2.1 Khái quát:

Sóng cực ngắn là những sóng có tần số từ 30MHz - 300GHz (ứng với bước sóng <10m) Chia thành 4 băng:

- Sóng m:  = 10m-1m; f = 30-300Mhz

- Sóng dm:  = 1m-10cm; f = 300-3000Mhz

- Sóng cm:  = 10cm-1cm; f = 3-30Ghz

- Sóng mm:  < 1cm; f = 30-300Ghz

Trang 42

 Phương pháp truyền lan sóng cực ngắn

- Tần số cao nên không thể phản xạ trong tầng điện ly

- 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

Trang 43

thông tin này ít được sử dụng

do độ tin cậy kém, yêu cầu

công suất máy phát lớn và tính

hướng anten (D) cao.

Trang 44

Chương 2 - Phần 2.1 - Mục 2.1.2

2.1.2 Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu

- Ở khoảng chiều cao nào đó, nếu chiết suất biến thiên theo quy luật thì tia sóng đi vào tầng đối lưu sẽ bị uốn cong với độ cong lớn hơn độ cong quả đất > Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu

)

1 ( 157 ,

0

m dh

dN





Trang 45

siêu khúc xạ (tia 1 và tia 2)

nhiều lần để truyền đi xa (nguyên tắc truyền sóng trong điều kiện này)

- Phương pháp này cũng ít sử dụng vì miền siêu khúc xạ không ổn định: thay đổi độ cao và chiều dài

Trang 46

2.1.3 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp

- Các anten phát và anten thu đặt cao trên mặt đất (ít nhất vài lần bước sóng) để tránh bị che chắn bởi các vật chắn hay độ cong của trái đất

- Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của 2 phương pháp trên nên được sử dụng phổ biến.

- Sóng truyền từ ATP-ATT trong miền không gian nhìn thấy trực tiếp giữa 2 anten

Trang 47

2.2 Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với các điều kiện lý tưởng

+ Mặt đất 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 lần bước sóng

Sóng đến ATT theo 2 đường:

Trang 48

2.2.1 Công thức tính cường độ điện trường - công thức giao thoa

 

)/(

2

2 )

( 1

r

G

P R

r1 : đoạn đường đi của tia tới trực tiếp; r2 : đoạn đường đi của tia phản xạ

r: hiệu số đường đi của hai tia r = r1-r2; k : hệ số sóng (= 2/)

R : hệ số phản xạ phức từ mặt đất: j

R Re  

 , R: mô đun,  góc sai pha

GT1 và GT2: hệ số khuếch đại của anten phát theo hướng tia trực tiếp và tia phản xạ

Trang 49

 Do chiều cao anten hT và hR <<r nên GT1=GT2=GT và r1=r2=r, nhưng khi tính sai pha thì không bỏ qua vì r = r1-r2

 

)/(

(

) ( 1

r

G

P R

1

.

) ( 1 2

r

G

P E

Trang 50

2cos

21

245

) (

2 )

( 1

m mV

e r

R r

R G

P

km

T kW

sin

R

R tg





 

) / (

.

cos 2

1

m mV

e r

R R

cos 2

1

.

m mV R

R r

G

P E

km

T kW

Trang 51

So sánh với công thức tính cường độ trường hiệu dụng khi có

hệ số suy giảm F ở Chương 1 ta thấy:

(2.10)

R F

R R

R



2 2

1 AB ( h h ) r

2 2

2 ' 2

2 ( AB ) ( h h ) r

 2 1

1 2

2 1



) (

2

m r

Trang 52

Do r>>hT và hR và góc tới tia phản xạ rất lớn (=900) > do đó có thể coi R=1 và =1800 Thay vào (2.10)

22)

2cos(

4cos(

22

2

12

21

2sin1

h

h r

h

)

()12







Định dạng
Số trang	190
Dung lượng	5,43 MB