giáo trình anten chương 1

Truyền sóng trong môi trường thông tin di động Tìm hiểu các đặc điểm, tính chất cũng như ảnh hưởng của môi trường vô tuyến đối với các mạng không dây wireless, bản chất và các thông số c

Trang 1

Chương 1 1

1 Truyền sóng trong không gian tự do

2 Truyền sóng trong tầng đối lưu

3 Truyền sóng trong tầng điện ly

4 Truyền sóng trong môi trường thông tin di động

Tìm hiểu các đặc điểm, tính chất cũng như ảnh hưởng của môi

trường vô tuyến đối với các mạng không dây (wireless), bản chất và

các thông số cơ bản của anten.

Nội dung:

- Truyền sóng : các khái niệm, công thức cơ bản trong truyền sóng,

đặc điểm của sóng truyền lan trong môi trường truyền.

- Anten : nguyên lý bức xạ, các thông số và đặc tính cơ bản của anten,

một số anten thường gặp và anten thông minh

Yêu cầu:

- Hiểu rõ về bản chất của sóng điện từ

- Hiểu bản chất của kỹ thuật siêu cao tần

- Hiểu kỹ toán học (giải tích và hình học)

- Hiểu về xác suất, thống kê

Trang 2

1:19 PM Chương 1 3

Tài liệu tham khảo:

[1] Lê Tiến Thường, Trần Văn Sư – Anten và truyền sóng – ĐHBK TPHCM

[2] Robert E Collin – Antenna and Radiowave Propagation –McGraw Hill 1986

[3] GS TS Phan Anh – Lý thuyết và kỹ thuật Anten –Nhà xuất bản khoa học và kỹ

thuật Hà Nội – 1997

[4] John D Kraus – Antenna –McGraw Hill

[5] Constantine A Balanis – Antenna theory analysis and design –John Wiley &

10 ÷ 12

12 ÷ 60

60 ÷ 20.000

Truyền sóng

Trang 3

H có E (nhưng không có H) theo hướng truyền sóng

H có H (nhưng không có E) theo hướng truyền sóng

E

TEM (Transverse Electromagnetic)

TM (Transverse magnetic)

TE (Transverse electric)

- Theo đặc tính điện-từ

Truyền sóng

Phân cực sóng điện từ: thể hiện phương của vector cường độ điện

trường dọc theo phương truyền sóng hay xét sự thay đổi phương

hướng của véc tơ cường độ điện trường theo thời gian

E 2 =E 2m cos(wt +ϕ2 )

E 1 =E 1m cos(wt +ϕ1 ) E

Trang 6

Truyền sóng

Truyền sóng - Theo băng sóng

Trang 7

Earth

Sky wave

Space waveGround wave

Troposphere (0 - 12 km)

Stratosphere (12 - 50 km)

Mesosphere (50 - 80 km)

Ionosphere (80 - 720 km)

+ Sóng đất (ground wave):sóng vô tuyến truyền sát mặt đất

- Thường được phân cực đứng

- Đất có tính dẫn điện càng cao thì suy hao càng nhiều

- Truyền tốt trên mặt nước

- Tần số càng tăng thì suy hao tăng, không tốt với những sóng có tần số lớn

hơn 2MHz

- Độ tin cậy cao không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi thời tiết trong ngày, mùa

- Thường được dùng trong vô tuyến hàng hải

Trang 8

Truyền sóng

Sóng không gian (space wave):sóng gồm những tia đến trực tiếp và những tia

gián tiếp Tia trực tiếp giới hạn bởi chiều cao anten, độ cong mặt đất, khoảng

cách tuyến thường phải nhỏ hơn 80% tầm nhìn thẳng

Truyền sóng

Sóng trời (sky wave): sóng phản xạ từ tầng điện ly, có thể

truyền từ anten phát đến anten thu bằng phản xạ ở tầng

điện ly và mặt đất nhiều lần

Thường sử dụng ở băng tần HF

Trang 9

sánh được với bước sóng

như các bề mặt kim loại

Trang 10

sin sin

r r

ε θ

ε: hằng số điện môi tuyệt đốiµ: hằng số từ thẩm tuyệt đối của môi trường

Truyền sóng

Nhiễu xạ (Diffration):xuất hiện tại cạnh chắn của vật thể có

kích thước có thể so sánh được với bước sóng, tia sóng bị uốn

cong theo độ cong của bề mặt vật chắn

Trang 11

Truyền sóng

Tán xạ (scattering):xuất hiện khi tia sóng gặp vùng bất đồng

nhất hay các vật thể có kích thước bé hơn nhiều so với bước

Reflected SignalDirect Signal

Building

Truyền sóng

Đa đường (Multipath): do tín hiệu từ nguồn phát đến máy thu đi theo

nhiều đường khác nhau do các hiện tượng phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, khúc

xạ, truyền thẳng

Tín hiệu thu được là tập hợp của nhiều tín hiệu nên có thể tín hiệu có biên

độ thay đổi liên tục theo thời gian và không gian

Trang 12

Truyền sóng trong không gian

tự do

Xét nguồn bức xạ đẳng hướng: công suất phân bố đều trên mặt cầu

Công suất và nguồn bức xạ Pt

Điểm khảo sát M cách nguồn bức xạ một khoảng d

Mật độ công suất tại M:

tự do

Gr: độ lợi hướng tính cực đại của anten thu

Diện tích hiệu dụng của anten thu:

Trang 14

Xét hệ thống thông tin vệ tinh (giả thiết trong điều kiện không gian tự do) ở độ

cao 36.000km và sử dụng tần số 4GHz, độ lợi anten phát 15 dB, độ lợi anten thu

45 dB, công suất phát 200W

Trang 15

tự do

Xét hệ thống thông tin viba xấp xỉ điều kiện không gian tự do với khoảng cách

truyền 80 km, độ lợi anten phát và anten thu đều là 40 dB, tần số 10 GHz, công

suất phát 10W

a Xác định suy hao đường truyền

b Xác định công suất thu và cường độ trường tại anten thu

Xét hệ thống thông tin truyền sóng trong điều kiện không gian tự do Anten phát

có độ lợi 20, tần số phát 5 GHz, công suất phát 43 dBm Anten thu có độ lợi 30

và biết rằng tín hiệu thu được khi công suất tại anten thu là 100 pW

a Xác định suy hao đường truyền và khoảng cách truyền tối đa

b Để khoảng cách truyền là 100 km thì công suất phát là bao nhiêu?

Trang 16

- Bỏ qua sự thay đổi liên tục của chất đất

- Bỏ qua sự thay đổi của đất theo chiều sâu

- Thay mặt đất bất đồng nhất bằng mặt đất đồng nhất với tham số sao cho

gây ra những ảnh hưởng giống mặt đất thực

+ Mặt đất phẳng

- Khi cự ly thông tin đủ bé (nhỏ hơn 0,2 tầm nhìn thẳng) thì mặt đất giữa

anten phát và anten thu được xem là mặt phẳng

- Tầm nhìn thẳng dmaxlà khoảng cách từ anten phát đến anten thu và tiếp xúc

với mặt đất

- Tầm nhìn thẳng phụ thuộc vào chiều cao anten phát và anten thu

Truyền sóng trong tầng đối

Trang 17

Ei: cường độ điện trường do phản xạ, Ei= ΓE

Γ: hệ số phản xạ Γ = |Γ|∠Φ

Trang 18

∆Φ: sai pha do sai lệch đường truyền

Trong đa số trường hợp Γ = -1, nghĩa là biên độ không đổi nhưng pha thay đổi 1800

Trang 19

lưu

Xét hệ thống phát sóng VHF có công suất 100W tại tần số 600 MHz, độ cao

anten phát 120m và có độ lợi 2,15 dB Anten thu đặt cách anten phát 40km

a Xác định cường độ trường tại anten thu cao 2m

412024010(0,5= 26410

Ercực đại khi F cực đại

Fmax= 2 khi sin(∆Φ/2) = 1

Trang 20

lưu

Xét hệ thống phát sóng VHF có công suất 1W tại tần số 150 MHz, độ cao

anten phát 40m và có độ lợi 4 dB Biết rằng cường độ trường tối thiểu tại

anten thu là 10µV/m

a Xác định độ cao tối thiểu của anten thu đặt cách anten phát 10km

b Xác định độ cao anten thu để cường độ trường tại anten thu lớn nhất

c Giả sử anten thu có độ cao là 3m Xác định khoảng cách tối đa giữa anten

Tầm nhìn thẳng dmaxlà khoảng cách từ anten

phát đến anten thu và tiếp xúc với mặt đất

Trang 21

b Cho tầm nhìn thẳng của tuyến liên lạc là 50km, chiều cao anten phát tối đa là

100m Xác định chiều cao anten thu

Cho một tuyến liên lạc vô tuyến có anten phát cao 100m, anten thu cao

10m, độ lợi anten phát là 20 dB và anten thu là 30dB, công suất phát 50W,

cự ly thông tin 12km, tần số sóng truyền 150MHz

a Xác định tầm nhìn thẳng của tuyến liên lạc Từ đó xác định mặt đất được

xem là phẳng hay cầu

b Tìm cường độ trường và công suất thu được tại anten thu

Trang 22

Cho quá trình truyền sóng với công suất bức xạ 15W, tần số 850 MHz, độ lợi

anten phát 20 dB, khoảng cách truyền 8 km Xác định điện trường hiệu dụng tại

điểm thu biết rằng sóng truyền trên mặt đất khô có ε = 4, σ = 0,001S/m

== 310

V

= 0,35 G [dB] = 20 G = 100

Trang 23

lưu

Cho quá trình truyền sóng với công suất bức xạ 20W, tần số 5 GHz, độ lợi anten

phát 50, khoảng cách truyền 15 km Xác định điện trường hiệu dụng tại điểm thu

biết rằng sóng truyền trên mặt đất ẩm có ε = 10, σ = 0,01S/m

- Mật độ chất khí thay đổi theo độ cao

- Phần trăm các chất khí không giống nhau theo độ cao

- Năng lượng ion hóa không giống nhau theo độ cao

D E F F

F1: 144 – 248 km

F2: < 400 km

Truyền sóng trong tầng điện

ly

Trang 24

ε0: hằng số điện môi trong không gian tự do = 8,854 x 10-12[F/m]

m: khối lượng electron = 9,11x 10-31[kg]

Tần số tới hạn: là tần số cao nhất có thể phản xạ đươc

của một lớp xác định theo mật độ electron cao nhất

2= 9 b7\]

Trang 25

/Gi2= eGni2= 9 bGni2

Tần số khả dụng cực đại MUF (Maximum usable frequency):

Trang 26

ly

Xét hệ thống truyền thông tin trong tầng điện ly Giả sử mật độ electron N =

108÷ 109[m-3] và độ cao 40 ÷ 88 km Góc ngẩng của anten phát là 300

a Xác định MUF

b Giả sử mật độ electron phân bố tuyến tính theo độ cao Xác định tần số

plasma tại độ cao 60 km

c Xác định góc ngẩng của anten để MUF = 300 KHz tại độ cao 60 km

ly

Cự ly của đường truyền thông tin:

Khi mặt đất xem là phẳng (cự ly thông tin ≤ 0,2dmax) :

2ℎ

Trang 27

Truyền sóng trong môi trường

thông tin di động

Truyền sóng đa đường (multipath propagation)

Trong môi trường di động ở dải

tần VHF, UHF bỏ qua ảnh hưởng

của các trạm ở xa (không truyền

theo phương thức sóng trời)

Ảnh hưởng truyền sóng đa đường:

+ Tổn hao tuyến (path loss),

+ Méo tần số (Doppler effect)

+ Méo biên độ (Rayleigh, Rician, fading)

Lm: Giá trị tổn hao trung bình của tuyến truyền dẫn

L0: Tổn hao trong không gian tự do

A mu(f,d) : tổn hao môi trường tương đối (so sánh với môi trường chân không)

G(hBTS) : Độ lợi của chiều cao anten trạm gốc G(hBTS) = 20 log10( hBTS/200)

G(hMS): Độ lợi chiều cao của thiết bị cầm tay

G(hMS) = 10log10(hMS/3) với hMS≤ 3 m

G(hMS) = 20log10(hMS/3) với 10m ≥ hMS> 3 m

Garea: Hệ số làm đúng do đặc điểm của môi trường truyền dẫn

các đường cong A(f,d) & Gareađược gọi là đường Okumura

Trang 28

Đường cong A(f,d)

Đường cong Garea

Trang 29

Tính công suất tại anten thu của thiết bị di động dùng mô hình

Okumura khi biết:

a(hMS) = 8,29(log10(1,54hMS))2– 1,1 dB vớifc < 300 MHz

a(hMS) = 3,2(log10(11,75hMS))2– 4,97 dB vớifc > 300 MHz

Với thành phố nhỏ và vừa

a(hMS) = (1,1log10(fc) – 0.7)hMS - ( 1,56 log10(fc) - 0,8) dB

Trang 30

Mô hình Hata

Vùng ngoại ô và nông thôn:

Lm(Suburban)(dB) = Lm(Urban)(dB) - 2[log(fc/28)]2– 5.4 dB

Lm(open)(dB) = Lm(Urban)(dB) - 4.78[log(fc)]2+ 18.33log(fc) - 40.98 dB

Lm(rural) = Lm(open) + Fading Margin (6-10dB)

Tính công suất tại anten thu của thiết bị di động dùng mô hình

Hata khi biết:

- Trạm gốc cao hBTS = 100m

Trang 31

Biết độ nhạy của máy di động với chất lượng nghe rõ là

–105.967dBm, anten của máy di động ở độ cao 1,5m và có độ

lợi 1dB, trạm gốc có độ cao 50m, phát với công suất 40dBm,

và anten có độ lợi 8dB Hệ thống hoạt động ở tần số 900MHz

Mô hình này thể hiện sự phụ thuộc vào 4 thông số: độ cao toà nhà, bề rộng con

đường, khoảng cách giữa các tòa nhà, hướng của con đường so với hướng của tia

truyền sóng

hướng truyền sóngTruyền sóng trong môi trường

Trang 32

Lm= L0+ Lrts+ Lmsd nếu Lrts+ Lmsd> 0

Lm= L0 nếu Lrts+ Lmsd< 0

L0: tổn hao trong không gian tự do

Lrts: tổn hao do nhiễu xạ và tán xạ bởi các nóc tòa nhà

= -16,9 -10log10(w) + 10log10(fc) + 20log10∆hMS+ Lori

Lori= -10 + 0,354(θ) với 00< θ < 350

2,5 + 0,075(θ – 350) với 350< θ < 550

4,0 – 0,114(θ – 550) với 550< θ < 900

Lmsd: tổn hao nhiễu xạ nhiều tầng

= Lbsh+ ka+ kdlog10(d) + kflog10(fc) – 9log10(b)

+ rts: rooftop-to-street diffraction and scattering loss

+ ori: correction factor for street orientation

+ msd: multiscreen diffaction loss due to rows

Trang 33

1 Xác định suy hao đường truyền (dùng mô hình thành phố nhỏ).

2 Công suất phát là 50 W, độ lợi anten phát 10 dB, độ lợi anten thu 15 dB Xác

định công suất tại anten thu

Méo tần số (hiệu ứng Doppler )

Khi giữa máy phát và máy thu có sự dịch chuyển tương

đối thì tần số thu được có sự khác biệt so với tần số

Trang 34

Méo biên độ

Mô hình fading Rayleigh: tại thiết bị di động không nhận duy nhất một loại suy

hao của tín hiệu phát (chỉ là tia phản xạ) mà là rất nhiều tín hiệu từ nhiều con

đường và hiện tượng khác nhau

- Xét về pha của các tín hiệu này thì có pha ngẫu hiên trong khoảng [0, 2π]

- Theo luật số lớn và định lý giới hạn trung tâm thì tín hiệu thu được là tín hiệu

thông dải có phân bố Gaussian, thành phần cùng pha và vuông pha có phân

bố Gaussian với trung bình không và cùng phương sai nên theo định lý trung

tâm ta có hàm mật độ xác suất của biên độ có dạng Rayleigh

E R

π σ σ

Trang 35

Công suất trung bình của tín hiệu thông dải bằng ½ công suất trung bình của biên độ

phức của nó, P = ½E[|r|2], nên ta có thể định nghĩa công suất tức thờiu = r2/2 Nên

công suất có dạng phân bố hàm mũ âm

22

Định dạng
Số trang	35
Dung lượng	1,63 MB