Bài giảng truyền sóng và anten_HVCNBCVT

Bài giảng truyền sóng và anten_HVCNBCVT

TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

ễn

PTIT

Nguy

ễn

PTIT

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG x

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xi

LỜI NÓI ĐẦU xiv

CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1

1.1 GIỚI THIỆU THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1

1.1.1 Giới thiệu 1

1.1.2 Hệ thống viễn thông 1

1.1.3 Đặc điểm của thông tin vô tuyến 2

1.2 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ 2

1.3 PHÂN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ 4

1.3.1 Phân cực thẳng 4

1.3.2 Phân cực tròn 5

1.3.3 Phân cực elip 6

1.4 PHÂN LOẠI SÓNG ĐIỆN TỪ 7

1.4.1 Nguyên tắc phân chia sóng điện từ 7

1.4.2 Các băng sóng vô tuyến và ứng dụng 8

1.5 PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC 8

1.5.1 Sơ lược về bầu khí quyển 8

1.5.2 Truyền lan sóng bề mặt 9

1.5.3 Truyền lan sóng không gian 9

1.5.4 Truyền lan sóng trời 10

1.5.5 Truyền lan sóng tự do 11

1.6 BIỂU THỨC TRUYỀN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 11

1.6.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường 11

1.6.2 Công suất anten thu nhận được 14

1.6.3 Tổn hao truyền sóng 14

1.7 NGUYÊN LÝ HUYGHEN VÀ MIỀN FRESNEL 15

1.7.1 Nguyên lý Huyghen 15

1.7.2 Miền Fresnel 17

1.8 TỔNG KẾT CHƯƠNG 20

1.9 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 20

ễn

PTIT

Nguy

ễn

PTIT

CHƯƠNG 2: TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN 23

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 23

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN 23

2.2.1 Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu 23

2.2.2 Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu 24

2.2.3 Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp 25

2.3 TRUYỀN LAN SÓNG TRONG GIỚI HẠN NHÌN THẤY TRỰC TIẾP VỚI ĐIỀU KIỆN LÝ TƯỞNG 25

2.3.1 Tính cường độ trường với trường hợp tổng quát - công thức giao thoa 25

2.3.2 Các dạng đơn giản của công thức giao thoa 30

2.3.3 Điều kiện truyền sóng tốt nhất 31

2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CONG TRÁI ĐẤT 33

2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH 35

2.6 ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU KHÔNG ĐỒNG NHẤT 37

2.6.1 Hệ số điện môi và chiết suất của tầng đối lưu 37

2.6.2 Hiện tượng khúc xạ khí quyển 38

2.6.3 Ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển khi truyền sóng trong tầm nhìn thẳng 39

2.6.4 Các dạng khúc xạ khí quyển 41

2.6.5 Hấp thụ sóng trong tầng đối lưu 43

2.7 CÁC DẠNG PHA ĐINH VÀ BIỆN PHÁP CHỐNG 45

2.8 TỔNG KẾT CHƯƠNG 47

2.9 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 47

CHƯƠNG 3: TRUYỀN LAN SÓNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 49

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 49

3.2 MỞ ĐẦU 49

3.2.1 Truyền lan sóng phẳng trong môi trường vô tuyến phađinh di động 49

3.2.2 Ảnh hưởng phạm vi rộng 51

3.2.3 Ảnh hưởng phạm vi hẹp 52

3.2.4 Các đặc tính của kênh 53

3.3 ĐẶC TÍNH THAY ĐỔI CỦA KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 54

3.3.1 Kênh truyền sóng trong miền không gian 54

3.3.2 Kênh truyền sóng trong miền tần số 55

3.3.3 Kênh truyền sóng trong miền thời gian 56

3.4 BĂNG THÔNG NHẤT QUÁN VÀ LÝ LỊCH TRỄ CÔNG SUẤT 57

3.4.1 Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương 57

3.4.2 Các loại phadinh phạm vi hẹp 58

3.4.3 Các phân bố phadinh Rayleigh và Rice 59

ễn

PTIT

Nguy

ễn

PTIT

3.5 MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 60

3.5.1 Mô hình kênh trong miền thời gian 60

3.5.2 Mô hình kênh trong miền tần số 63

3.6 ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH KÊNH TRONG MIỀN TẦN SỐ 64

3.7 TỔNG KẾT CHƯƠNG 66

3.8 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 68

CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 69

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 69

4.1.1 Vị trí của anten trong thông tin vô tuyến 69

4.1.2 Yêu cầu chung với anten 70

4.1.3 Phân loại anten 70

4.2 NGUYÊN LÝ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ 70

4.3 CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 72

4.3.1 Hàm tính hướng 72

4.3.2 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng 72

4.3.3 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten 74

4.3.4 Hệ số tính hướng và hệ số khuếch đại của anten 75

4.3.5 Trở kháng vào của anten 77

4.3.6 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 77

4.3.7 Diện tích hiệu dụng và chiều dài hiệu dụng 79

4.3.8 Dải tần công tác của anten 80

4.3.9 Hệ số bảo vệ của anten 80

4.4 CÁC NGUỒN BỨC XẠ NGUYÊN TỐ 81

4.4.1 Dipol điện 81

4.4.2 Dipol từ 84

4.4.3 Nguyên tố bức xạ hỗn hợp 85

4.5 NGUYÊN LÝ ANTEN THU 87

4.6 TỔNG KẾT CHƯƠNG 89

4.7 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 90

CHƯƠNG 5: ANTEN CHẤN TỬ 91

5.1 GIỚI THIỆU CHUNG 91

5.2 ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 91

5.2.1 Phân bố dòng điện 92

5.2.2 Bức xạ của chấn tử đối xứng trong không gian tự do 94

5.2.3 Tham số của chấn tử đối xứng 95

5.2.4 Ảnh hưởng của mặt đất lên bức xạ của chấn tử đối xứng 104

5.2.5 Hệ hai chấn tử đặt gần nhau 108

ễn

PTIT

Nguy

ễn

PTIT

5.3 ANTEN CHẤN TỬ ĐƠN 117

5.4 ANTEN NHIỀU CHẤN TỬ 118

5.4.1 Anten dàn chấn tử 118

5.4.2 Anten Yagi-Uda 119

5.4.3 Anten loga – chu kỳ 122

5.5 TỔNG KẾT CHƯƠNG 126

5.6 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 127

CHƯƠNG 6: ANTEN GÓC MỞ 128

6.1 GIỚI THIỆU CHUNG 128

6.2 NGUYÊN LÝ BỨC XẠ MẶT 128

6.2.1 Bức xạ của bề mặt được kích thích bởi trường điện từ 128

6.2.2 Các kiểu anten bức xạ mặt 134

6.3 ANTEN LOA 135

6.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 135

6.3.2 Tính hướng của anten loa 137

6.4 ANTEN GƯƠNG 138

6.4.1 Nguyên lý chung 138

6.4.2 Anten gương parabol 139

6.4.3 Anten hai gương (anten Cassegrain) 142

6.4.4 Anten Gregorian 144

6.5 ANTEN KHE 144

6.5.1 Anten khe nửa sóng 144

6.5.2 Anten khe – ống dẫn sóng 147

6.6 ANTEN VI DẢI 150

6.7 TỔNG KẾT CHƯƠNG 153

6.8 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 153

CHƯƠNG 7: KỸ THUẬT ANTEN 155

7.1 GIỚI THIỆU 155

7.2 TỔNG HỢP ĐỒ THỊ PHƯƠNG HƯỚNG CỦA ANTEN 155

7.2.1 Tổng quát 155

7.2.2 Phương pháp tần số tổng hợp đồ thị phương hướng 156

7.2.3 Phương pháp pha tổng hợp đồ thị phương hướng 157

7.3 MỞ RỘNG DẢI TẦN VÀ THIẾT LẬP ANTEN DẢI RỘNG 159

7.3.1 Mở rộng dải tần làm việc của anten 159

7.3.2 Thiết lập anten dải rộng 160

7.4 PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHỎ KÍCH THƯỚC ANTEN 162

7.4.1 Dùng tải thuần kháng để điều chỉnh phân bố dòng điện 162

ễn

PTIT

Nguy

ễn

PTIT

7.4.2 Dùng đường dây sóng chậm 163

7.4.3 Kết hợp anten với các phần tử tích cực 164

7.5 CẤP ĐIỆN VÀ PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG ANTEN 164

7.5.1 Cấp điện bằng dây song hành 165

7.5.2 Cấp điện bằng cáp đồng trục 169

7.5.3 Phối kháng bằng thiết bị biến đổi đối xứng dùng đoạn cáp chữ U 170

7.6 TẠP ÂM ANTEN 171

7.7 TỔNG KẾT CHƯƠNG 174

7.8 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 174

CHƯƠNG 8: ANTEN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TIÊN TIẾN 175

8.1 GIỚI THIỆU 175

8.1.1 Các hệ thống thông tin vô tuyến và băng tần sử dụng 175

8.1.2 Đặc điểm truyền lan sóng 175

8.1.3 Đặc điểm của các hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến 176

8.1.4 Các yêu cầu đối với anten 176

8.2 ANTEN THÔNG MINH 177

8.2.1 Giới thiệu 177

8.2.2 Cực đại SIR 178

8.2.3 Tối thiểu sai số trung bình quân phương 180

8.3 KỸ THUẬT ĐA ANTEN 181

8.3.1 Các cấu hình đa anten 181

8.3.2 Lợi ích của kỹ thuật đa anten 182

8.3.3 Đa anten thu 183

8.3.4 Đa anten phát 187

8.4 ANTEN CHO HỆ THỐNG BĂNG SIÊU RỘNG, UWB 194

8.4.1 Giới thiệu 194

8.4.2 Đặc điểm của anten UWB 194

8.4.3 Các loại anten UWB 196

8.5 TỔNG KẾT CHƯƠNG 198

8.6 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 198

TÀI LIỆU THAM KHẢO 200

ễn

PTIT

Nguy

ễn

PTIT

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống viễn thông 1

Hình 1.2 Sự truyền lan sóng điện từ 4

Hình 1.3 Các thành phân ngang và đứng của phân cực thẳng 5

Hình 1.4 Phân cực tròn 6

Hình 1.5 Cấu trúc bầu khí quyển 8

Hình 1.6 Quá trình truyền lan sóng bề mặt 9

Hình 1.7 Truyền lan sóng không gian 10

Hình 1.8 Truyền lan sóng trời 10

Hình 1.9 Truyền lan sóng tự do 11

Hình 1.10 Các phương thức truyền sóng vô tuyến điện 11

Hình 1.11 Bức xạ của nguồn bức xạ vô hướng trong không gian tự do 12

Hình1.12 Nguồn bức xạ có hướng 13

Hình 1.13 Xác định trường theo nguyên lý Huyghen 16

Hình 1.14 Biểu diễn nguyên lý Huyghen trong không gian tự do 17

Hình 1.15 Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel trên mặt sóng cầu 18

Hình 1.16 Xác định bán kính miền Fresnel 19

Hình 1.17 Vùng tham gia vào quá trình truyền lan sóng 20

Hình 2.1 Sự khuếch tán sóng trong tầng đối lưu 24

Hình 2.2 Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu 24

Hình 2.3 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp 25

Hình 2.4 Mô hình truyền sóng trong điều kiện lý tưởng 26

Hình 2.5 Xác định hiệu số đường đi  r 28

Hình 2.6 Vectơ E 1 và E 2 trong trường hợp sóng phân cực thẳng đứng 29

Hình 2.7 Giao thoa trong trường hợp vecto tổng bằng vecto thành phần 32

Hình 2.8 Cự ly nhìn thấy trực tiếp 33

Hình 2.9 Mô hình truyền sóng trên mặt đất cầu 34

Hình 2.10 a)Mặt cắt địa hình thực b)Mô hình lý tưởng hóa của bề mặt mấp mô 36

Hình 2.11 Mô tả các thông số tính bán kính cong của tia sóng 38

Hình 2.12 Quỹ đạo của tia sóng trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất trong khí quyển thực 40

Hình 2.13 Các quỹ đạo của sóng vô tuyến 40

Hình 2.14 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ sóng của O 2 và H 2 O vào tần số 43

Hình 2.15 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ trong mưa với cường độ 100mm/h vào tần số 44

Hình 2.16 Phụ thuộc hấp thụ trong sương mù theo tầm nhìn xa 44

Hình 2.17 Phân tập không gian 46

Hình 2.18 Phân tập tần số 46

Hình 3.1 Truyền sóng vô tuyến 50

ễn

PTIT

Nguy

ễn

PTIT

Hình 3.2 Góc tới  i của sóng tới i minh họa hiệu ứng Doppler 50

Hình 3.3 Suy hao đường truyền và che tối .52

Hình 3.4 Các ảnh hưởng phạm vi hẹp trong kênh vô tuyến 52

Hình 3.5 Tính chất kênh trong miền không gian 53

Hình 3.6 Tính chất kênh trong miền tần số 54

Hình 3.7 Tính chất kênh trong miền thời gian 54

Hình 3.8 Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình 62

Hình 3.9 Sự phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh miền tần số vào tần số và RDS a) nhìn từ trên xuống, b) nhìn cắt ngang 64

Hình 3.10 Sự phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số .65

Hình 3.11 Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau .66

Hình 4.1 Hệ thống truyền tin đơn giản 69

Hình 4.2 Quá trình bức xạ sóng điện từ 71

Hình 4.3 Ví dụ đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ vuông góc 73

Hình 4.4 Ví dụ đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ cực 74

Hình 4.5 Độ rộng của đồ thị phương hướng 74

Hình 4.6 Đồ thị phương hướng của anten omni-directional và anten có hướng 77

Hình 4.7 a) Phân bố dòng và trường của dipol điện; b) Hình vẽ tính bức xạ của dipol điện 81

Hình 4.8 Đồ thị phương hướng của dipol điện 83

Hình 4.9 a) Phân bố dòng và trường của dipol từ b) Hình vẽ tính bức xạ của dipol từ 85

Hình 4.10 Nguyên tố bức xạ hỗn hợp 86

Hình 4.11 Đồ thị phương hướng của nguyên tố bức xạ hỗn hợp 87

Hình 4.12 Mô tả tương hỗ hai anten 88

Hình 5.0 Anten chấn tử đối xứng 91

Hình 5.1 Sự tương quan giữa chấn tử đối xứng và đường dây song hành 92

Hình 5.2 Phân bố dòng điện và điện tích trên chấn tử đối xứng 93

Hình 5.3 Mô tả các thông số tính trường bức xạ của chấn tử đối xứng 94

Hình 5.4 Đồ thị phương hướngcủa chấn tử đối xứng trong mặt phẳng E 97

Hình 5.5 Xác định công suất bức xạ của chấn tử đối xứng 98

Hình 5.6 Phụ thuộc điện trở bức xạ theo chiều dài tương đối 99

Hình 5.7 Sự phụ thuộc của Z vA vào l  102

Hình 5.8 Chiều dài thực và chiều dài hiệu dụng của chấn tử đối xứng 103

Hình 5.9 Chấn tử thật và chấn tử ảnh 104

Hình 5.10 Nguyên lý ảnh gương 105

Hình 5.11 Chấn tử đặt nằm ngang trên mặt đất 106

Hình 5.12 Đồ thị phương hướngcủa chấn tử đối xứng đặt vuông góc trên mặt đất 108

Hình 5.13 Đồ thị phương hướngcủa chấn tử đối xứng đặt nằm ngang trên mặt đất 108

Hình 5.14 Hệ hai chấn tử đối xứng đặt song song gần nhau 109

Hình 5.15 Đồ thị phương hướngcủa hai chấn tử đặt song song với nhau 111

ễn

PTIT

Nguy

ễn

PTIT

Hình 5.16 Hệ hai chấn tử đối xứng đặt song song 114

Hình 5.17 Sơ đồ tương đương 115

Hình 5.18 a) Chấn tử ghép; b) Sơ đồ tương đương 116

Hình 5.19 Anten chấn tử đơn 117

Hình 5.20 Dàn chấn tử đồng pha 119

Hình 5.21 Anten Yagi-Uda 120

Hình 5.22 Quan hệ giữa dòng trên chấn tử thụ động và điện kháng riêng 120

Hình 5.23 Đồ thị phương hướng của anten Yagi-Uda 122

Hình 5.24 Anten loga-chu kỳ 123

Hình 5.25 Quan hệ giữa 2  1/2 với các thông số  và  .126

Hình 6.1 Chọn hệ tọa độ khảo sát 129

Hình 6.2 Khảo sát trường hợp mặt bức xạ lý tưởng 130

Hình 6.3 Mặt bức xạ chữ nhật và hình tròn 131

Hình 6.4.a Đồ thị phương hướng a) hệ tọa độ vuông góc; b) hệ tọa độ cực 132

Hình 6.4.b Đồ thị hàm tính hướng tổng hợp 134

Hình 6.5 Các anten loa: a) Nón vách nhẵn b) Nón vách gấp nếp c) loa hình tháp d) loa E và e) loa H 135

Hình 6.6 Mặt cắt dọc anten loa 136

Hình 6.7 Đồ thị phương hướng của anten loa 137

Hình 6.8 Anten gương parabol 139

Hình 6.9 Mặt cắt dọc của anten gương parabol 139

Hình 6.10 Vị trí tiêu điểm đối với các giá trị f/d khác nhau 140

Hình 6.11 Đồ thị phương hướng của anten parabol trong tọa độ vuông góc 141

Hình 6.12 Mặt cắt dọc theo quang trục của anten Cassegrain và các tia truyền 143

Hình 6.13 Hình ảnh anten Cassegrain 143

Hình 6.14 Anten Gregorian (Cassegrain lệch trục) 144

Hình 6.15 Anten khe nửa sóng 145

Hình 6.16 Đồ thị phương hướng của khe nửa sóng a) mặt phẳng H; b) mặt phẳng E 146

Hình 6.17 Phân hố dòng điện mặt trên các thành ống dẫn sóng 147

Hình 6.18 Vị trí các khe trên thành ống dẫn sóng 148

Hình 6.19 Các kiểu anten khe trên ống dẫn sóng 148

Hình 6.20 Thăm kích thích 149

Hình 6.21 Đồ thị phương hướng anten khe nửa song trong mặt phẳng E 149

Hình 6.22 Các anten vi dải điển hình 150

Hình 6.23 Cấu tạo anten vi dải chữ nhật 151

Hình 6.24 Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của anten vi dải chữ nhật 152

Hình 7.1 Hệ thống bức xạ thẳng nối tiếp 156

Hình 7.2 Hệ thống phân phối – định pha loại 1 157

Hình 7.3 Hệ thống phân phối – định pha loại 2 158

Hình 7.4 Anten hiệu chỉnh trở kháng 160

ễn

PTIT

Nguy

ễn

PTIT

Hình 7.5 Ví dụ cấu trúc anten tự bù 161

Hình 7.6 Dùng tải thuần kháng ở cuối chấn tử 162

Hình 7.7 Tiếp điện kiểu song song và mạch tương đương 165

Hình 7.8 Tiếp điện kiểu song song kiểu T và mạch tương đương 166

Hình 7.9 Chấn tử vòng dẹt và mạch tương đương 167

Hình 7.10 Chấn tử vòng dẹt kép 168

Hình 7.11 Cấp điện trực tiếp 169

Hình 7.12 Cấp điện có bộ phối hợp 169

Hình 7.13 Bộ biến đổi đối xứng chữ U 170

Hình 7.14 Điện trở R nối tại đầu vào anten 172

Hình 7.15 Điện trở R nối với anten qua đường truyền dẫn tổn hao 173

Hình 8.1 a) Định dạng búp sóng tương tự; b) Định dạng búp sóng số 178

Hình 8.2 Dàn 3 phần tử với các tín hiệu mong muốn và nhiễu 179

Hình 8.3 Hệ thống MSE thích ứng 180

Hình 8.4 Kết hợp anten thu tuyến tính 183

Hình 8.5 Các kênh truyền trong kết hợp anten thu tuyến tính 184

Hình 8.6 Kịch bản đường xuống với một nguồn nhiễu vượt trội chỉ có hai anten thu 185

Hình 8.7 Kịch bản máy thu bị một máy đầu cuối di động gây nhiễu mạnh 186

Hình 8.8 Xử lý tuyến tính không gian thời gian hai chiều (hai anten thu) 187

Hình 8.9 Xử lý tuyến tính không gian/tần số hai chiều (hai anten) 187

Hình 8.10 Hai anten phân tập trễ 188

Hình 8.11 Phân tập trễ vòng (CDD) hai anten phát 189

Hình 8.12 Phân tập phát không gian thời gian (STTD) 190

Hình 8.13 Phân tập phát không gian - tần số với hai anten phát 191

Hình 8.14 Tạo búp kinh điển với tương quan anten tương hỗ cao: (a) Cấu hình anten và (b) Cấu trúc búp 192

Hình 8.15 Tạo búp dựa trên bộ tiền mã hóa trường hợp tương quan anten tương hỗ thấp 192

Hình 8.16 Tiền mã hóa cho từng sóng mang con trong OFDM (hai anten phát) 194

Hình 8.17 Đáp ứng của anten với kích thích xung kim bởi hiệu ứng dao động riging 195

Hình 8.18 Anten loa gấp 197

Hình 8.19 Một số loại anten nơ băng rộng 198

ễn

PTIT

Nguy

ễn

PTIT

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các băng sóng điện từ 7

Bảng 2.1 Phân loại các dạng khúc xạ khí quyển 42

Bảng 3.1 Các loại phađinh phạm vi hẹp 58

Bảng 3.2 Các đặc tính kênh của ba miền 67

Bảng 8.1 Chỉ tiêu cơ bản của anten UWB 196

D

E

F

I

L

M

Q

T

U

V

W

LỜI NÓI ĐẦU

Các hệ thống thông tin vô tuyến, đặc biệt là các hệ thống thông tin di động, đã và đang phát triển rất mạnh mẽ Quá trình truyền sóng và anten là những phần kiến thức không thể thiếu khi nghiên cứu về các hệ thống này

Học phần Truyền sóng và Anten là học phần cơ sở của chuyên ngành vô tuyến, cung cấp các kiến thức cơ bản về quá trình truyền lan sóng điện từ trong không gian đồng thời nó cũng

đề cập đến phần tử quan trọng hàng đầu trong việc phát và thu sóng điện từ đó là anten Với cấu trúc gồm 8 chương, nội dung học phần được phân tách khá rõ hai phần: Truyền sóng (chương 1-3) và Anten (chương 4-8) Trong phần truyền sóng, các kiến thức tổng quan được trình bày trong chương 1, chương 2 đề cập quá trình truyền lan của sóng cực ngắn, là băng sóng sử dụng phổ biến cho truyền dẫn vô tuyến Chương 3 dành đề cập đến đặc tính truyền lan sóng trong thông tin di động – một lĩnh vực phát triển mạnh nhất của truyền dẫn vô tuyến hiện nay Phần anten được trình bày với các kiến thức căn bản nằm trong chương 4 Các chương 5 và 6 giới thiệu về hai loại anten được ứng dụng phổ biến là anten chấn tử và anten góc mở Các vấn đề liên quan đến kỹ thuật anten được dành cho chương 7 Nội dung chương

8 đề cập về anten sử dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến như anten thông minh, đa anten

Vì đây là học phần dành cho sinh viên ngành điện tử viễn thông nên các nội dung trình bày ngoài các kiến thức tổng quan, phần lớn đều tập chung cho ứng dụng truyền dẫn vô tuyến trong viễn thông đảm bảo tính thực tiễn và hỗ trợ tốt cho các môn học chuyên ngành vô tuyến sau này Để học tốt học phần này, sinh viên phải có kiến thức về lý thuyết trường điện từ và siêu cao tần, nghiên cứu các vấn đề lý thuyết được trình bày trong từng chương và tự trả lời các câu hỏi, giải các bài tập ở cuối mỗi chương Phần thực hành của môn học được thực hiện trên các hệ thống anten thực tế với các phép đo cơ bản và chương trình mô phỏng bằng Matlab sẽ giúp sinh viên hiểu sâu hơn các kiến thức đã học trên lớp

CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG

1.1 GIỚI THIỆU THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.1.1 Giới thiệu

Thông tin qua hệ thống điện tử được khởi đầu bằng việc truyền điện báo vào năm 1844, sau đó là thoại vào năm 1878 Ở các hệ thống này, tín hiệu điện được gửi qua đường truyền dẫn gồm hai dây kết nối thiết bị phát với thiết bị thu Cùng thời gian này, nền tảng lý thuyết cho việc bức xạ năng lượng điện từ được khởi đầu xây dựng bởi Maxwell và nhiều nhà khoa học khác Tuy nhiên tới 1897, Marconi mới lần đầu tiên sáng chế ra hệ thống điện báo không dây dựa trên việc sử dụng bức xạ điện từ (sóng vô tuyến) theo dự đoán lý thuyết của Maxwell

Từ 1904 đến 1915, với việc phát minh ra bộ khuyếch đại đèn điện tử, bộ dao động thì việc truyền thoại bằng sóng vô tuyến đã được thực hiện và kể từ đó không ngừng phát triển

1.1.2 Hệ thống viễn thông

Cấu trúc cơ bản của hệ thống viễn thông:

Máy phát Tx

Máy thu Rx Môi trường truyền dẫn

Đôi dây xoắn Cáp quang Cáp đồng trục Không gian (không dây)

Hình 1.1 Hệ thống viễn thông

Quá trình truyền tin được thực hiện:

+ Biến đổi dạng tin ban đầu từ người dùng (thoại, âm thanh, ảnh, hình ảnh, văn bản, dữ liệu) thành tín hiệu điện

+ Phát qua khoảng cách không gian (giữa điểm A và B) theo một số loại kênh truyền với môi trường truyền dẫn khác nhau

+ Chuyển đổi về dạng tin ban đầu phù hợp với người dùng

Kênh truyền về cơ bản dựa trên các môi trường truyền dẫn:

+ Có dây : Đôi dây xoắn, cáp đồng trục, cáp quang …

+ Không dây : Không gian

Với mỗi phương pháp truyền dẫn thường đề cập hai yếu tố:

+ Môi trường truyền dẫn

+ Phương tiện truyền dẫn

Trong thông tin vô tuyến, môi trường truyền dẫn là không gian Đây là môi trường hở và

là môi trường chung Để mang thông tin đi qua kênh truyền này phải sử dụng phương tiện truyền dẫn là sóng điện từ

1.1.3 Đặc điểm của thông tin vô tuyến

a) Ưu điểm

Tính di động: Do kết nối không dây nên cho phép các thiết bị đầu cuối vô tuyến có tính linh hoạt cao, đảm bảo cung cấp thông tin mọi lúc, mọi nơi đáp ứng tốt cho cuộc sống ngày càng năng động của con người

Linh hoạt: Triển khai tuyến truyền dẫn nhanh, dễ dàng với chất lượng đảm bảo Chi phí lắp đặt thấp

b) Nhược điểm

- Chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn hở:

+ Suy hao truyền sóng trong môi trường lớn

+ Chất lượng truyền dẫn không ổn định: Phụ thuộc vào thời tiết, địa hình

+ Ảnh hưởng thường xuyên bởi các nguồn nhiễu bên ngoài:

~ Tự nhiên: Phóng điện trong khí quyển, phát xạ sóng điện từ trong vũ trụ … ~ Nhân tạo: Nhiễu công nghiệp từ các tia lửa điện của động cơ, từ các thiết bị vô tuyến khác

+ Dễ bị thu trộm và sử dụng trái phép đường truyền thông tin

- Băng tần khai thác hạn chế khiến dung lượng truyền dẫn thấp: Chỉ sử dụng băng tần siêu cao (UHF  EHF; 300MHz  300GHz)

- Hiện tượng pha đinh: Là sự thăng giáng thất thường của cường độ điện trường tại điểm thu Nguyên nhân là do điều kiện truyền sóng luôn thay đổi khiến quá trình giao thoa của các tia sóng đi theo các đường khác nhau cũng thay đổi theo

Thực tế do đặc điểm địa hình phức tạp nên có rất nhiều tia phản xạ từ các điểm khác nhau trên đường truyền dẫn đến được điểm thu Điều này làm cho hiện tượng pha đinh càng thêm trầm trọng, gọi là pha đinh nhiều tia

1.2 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ

Sóng điện từ bao gồm hai thành phần: điện trường, ký hiệu E (V/m) và từ trường, ký hiệu

H (A/m) Chúng có quan hệ mật thiết với nhau trong quá trình truyền lan và được mô tả bằng

hệ phương trình Maxwell, viết ở các dạng khác nhau

y x

y x

HE

HE

Nếu môi trường truyền sóng là chân không (còn được gọi là không gian tự do) các tham

số của môi trường có giá trị:

0

120 ()

Trong thực tế sóng điện từ thường biến đổi điều hòa theo thời gian Đối với các sóng điện

từ phức tạp ta có thể coi nó là tổng vô số các dao động điều hòa, nghĩa là có thể áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị Trong trường hợp này khi giả thiết chỉ có sóng thuận, tức là sóng truyền từ nguồn theo phương trục z và môi trường mà không có sóng nghịch thì các thành phần điện trường và từ trường được biểu thị như sau:

Trong đó k = /v = 2/ gọi là hệ số pha hay hằng số sóng

Sóng điện từ có mật độ công suất ( hay còn gọi là thông lượng năng lượng), được biểu thị bởi véc tơ năng lượng k  [E H]  Như vậy sóng điện từ có các véc tơ E và H nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng k Bởi vậy sóng điện từ truyền đi trong môi trường đồng nhất đẳng hướng là sóng điện từ ngang TEM

Hình 1.2 Sự truyền lan sóng điện từ

1.3 PHÂN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ

Trường điện từ của sóng vô tuyến điện khi đi trong một môi trường sẽ dao động theo một hướng nhất định Phân cực của sóng điện từ chính là hướng dao động của trường điện từ Việc

sử dụng các phân cực khác nhau của sóng điện từ có một ý nghĩa rất lớn trong việc sử dụng hiệu quả tần số trong thông tin vô tuyến

Trường tại vùng xa của anten có dạng sóng phẳng TEM và được xác định bằng vectơ Pointing: k  [E H]  Điều này có nghĩa là các vectơ E và H nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng k

Phương của đường do đầu mút của véc tơ trường điện vẽ lên sẽ xác định phân cực sóng Trường điện và trường từ là các hàm thay đổi theo thời gian Trường từ thay đổi đồng pha với trường điện và biên độ của nó tỷ lệ với biên độ của trường điện, vì thế ta chỉ cần xét trường điện Có ba loại phân cực sóng vô tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực tròn và phân cực elip

1.3.1 Phân cực thẳng

Hầu hết truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, trong đó phân cực đứng được gọi là phân cực trong đó trường điện vuông góc với mặt đất và phân cực ngang được gọi là phân cực trong đó trường điện song song với mặt đất Giả thiết rằng phương ngang và đứng

E E

arctg

Trong trường hợp này ta thấy vectơ Ekhông biến đổi Độ dài của vectơ thay đổi theo thời gian nhưng đầu mút của vectơ luôn nằm trên đường thẳng cố định trùng với phương của vectơ có góc nghiêng  (hình 1.3c) Đó là hiện tượng phân cực đường thẳng của sóng điện từ Khi  = 00 ta có sóng phân cực ngang, lúc này vectơ E luôn song song với mặt đất; còn khi

 = 900 ta có sóng phân cực đứng, vectơ E luôn vuông góc với mặt đất

ra ngoµi

 y

a

x a

độ dài vectơ Đó là hiện tượng phân cực tròn

z RHC

§iÓm nh×n theo IEEE

z LHC

Hình 1.4 Phân cực tròn

Hướng của phân cực tròn được định nghĩa bởi phương quay của vectơ điện trường nhưng đồng thời đòi hỏi phải quan sát cả chiều quay của vectơ Theo định nghĩa của IEEE thì phân cực tròn tay phải (RHC) là phân cực quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng (hình 1.4), còn phân cực tròn tay trái (LHC) là phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng Phương truyền sóng dọc theo trục z dương

1.4 PHÂN LOẠI SÓNG ĐIỆN TỪ

1.4.1 Nguyên tắc phân chia sóng điện từ

Sóng điện từ đã đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống ở nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ y học, quốc phòng, thăm dò tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu vũ trụ, thông tin liên lạc Dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm truyền lan để phân chia sóng vô tuyến điện thành các băng sóng khác nhau

+ Sóng cực dài: Những sóng có buớc sóng lớn hơn 10.000 m (tần số thấp hơn 30 kHz) + Sóng dài: Những sóng có buớc sóng từ 10.000 đến 1.000 m (Tần số từ 30 đến 300 kHz) + Sóng trung: Những sóng có buớc sóng từ 1.000 đến 100 m (Tần số từ 300 kHz đến 3 MHz)

+ Sóng ngắn: Những sóng có buớc sóng từ 100 đến 10 m (Tần số từ 3 đến 30 MHz) Sử dụng cho thông tin phát thanh điều tần, truyền hình

+ Sóng cực ngắn: Những sóng có buớc sóng từ 10 m đến 1mm (Tần số từ 30 đến 300.000 MHz).Sóng cực ngắn đƣợc chia nhỏ hơn thành một số băng tần số

+ Tiếp đến là các băng sóng gần ánh sáng, hồng ngoại, ánh sáng trắng, tia cực tím, tia X… Khoảng tần số từ 30 Hz đến 3000 GHz đƣợc chia thành 11 băng tần nhƣ trong bảng 1.1

hàng hải, đạo hàng

1.4.2 Các băng sóng vô tuyến và ứng dụng

Mỗi băng sóng được ứng dụng cho các hệ thống thông tin khác nhau do đặc điểm truyền lan sóng trong các môi trường thực

+ Băng sóng cực dài sử dụng ở lĩnh vực vật lý, thông tin vô tuyến đạo hàng, thông tin trên biển

+ Băng sóng dài và băng sóng trung được sử dụng cho thông tin phát thanh nội địa, điều biên; thông tin hàng hải; vô tuyến đạo hàng

+ Băng sóng ngắn sử dụng cho phát thanh điều biên cự ly xa và một số dạng thông tin đặc biệt

+ Băng sóng mét được sử dụng cho phát thanh điều tần và truyền hình

+ Băng sóng decimét được sử dụng cho truyền hình, các hệ thống thông tin vi ba số băng hẹp, thông tin di động

+ Băng sóng centimét được sử dụng cho thông tin vi ba số băng rộng, thông tin vệ tinh, WLAN

+ Băng sóng milimét được sử dụng hạn chế cho thông tin vệ tinh với băng Ka, dùng cho thông tin vũ trụ

1.5 PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC 1.5.1 Sơ lược về bầu khí quyển

Bầu khí quyển của trái đất được chia làm 3 vùng chính: tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng điện ly Biên giới giữa các tầng này không rõ ràng và thay đổi theo mùa và theo vùng địa

lý Tính chất của các vùng này rất khác nhau

Trái đất Đối lưu 11km Bình lưu 60km Điện ly 600km

Hình 1.5 Cấu trúc bầu khí quyển

Tầng đối lưu là khoảng không gian tính từ bề mặt trái đất lên đến độ cao 6 đến 11 km Nhiệt độ của không khí trong tầng đối lưu thay đổi theo độ cao (nhiệt độ giảm khi độ cao tăng) Ví dụ nhiệt độ trên bề mặt trái đất là 100

C có thể giảm đến -550C tại biên trên của tầng đối lưu

Bên cạnh đó, do tính chất vật lý của mỗi băng sóng mà mỗi băng sóng có phương thức truyền lan thích hợp để đạt được hiệu quả nhất

Do đó, tùy theo môi trường truyền sóng 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 Sóng bề mặt và sóng không gian đều được gọi là sóng đất (cùng truyền lan trong tầng đối lưu) tuy nhiên chúng có sự khác nhau rõ rệt

1.5.2 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 như chỉ ra ở hình 1.6 Nếu gặp vật chắn trên đường truyền lan, sóng sẽ nhiễu xạ qua vật chắn và truyền lan

ra phía sau vật chắn

Hình 1.6 Quá trình truyền lan sóng bề mặt

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

Với các loại bề mặt đất có độ dẫn điện lớn như mặt biển, đất ẩm thì sóng ít bị suy hao trong đất, làm cho cường độ trường tại điểm thu tăng lên Các sóng vô tuyến điện có bước sóng lớn khả năng nhiễu xạ mạnh và bị mặt đất hấp thụ nhỏ Bởi vậy sóng bề mặt được sử dụng để truyền lan các băng sóng dài và sóng trung như trong hệ thống phát thanh điều biên, hay sử dụng cho thông tin trên biển

1.5.3 Truyền lan sóng không gian

Lớp khí quyển bao quanh quả đất có độ cao từ 0 đến 11km (với tầng đối lưu tiêu chuẩn), gọi là tầng đối lưu Các hiện tượng thời tiết như sương mù mưa, bão, tuyết đều xẩy ra trong tầng đối lưu và ảnh hưởng rất lớn đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến điện

Thu Phát

Hình 1.7 Truyền lan sóng không gian

1.5.4 Truyền lan sóng trời

Lớp khí quyển ở độ cao khoảng 60 km đến 600 km bị ion hoá rất mạnh chủ yếu do năng lượng 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 chỉ ra ở hình 1.8 Phương thức đó gọi là phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly

Hình 1.8 Truyền lan sóng trời

a)

Thu Phát

Vùng không đồng nhất b)

Thu Phát

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

Hình 1.9 Truyền lan sóng tự do

Hình 1.10 cho ta thấy các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực của khí quyển quả đất

Hình 1.10 Các phương thức truyền sóng vô tuyến điện

1.6 BIỂU THỨC TRUYỀN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO

1.6.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường

Giả thiết có một nguồn bức xạ vô hướng (đẳng hướng) có công suất phát PT(W) đặt tại điểm A trong một môi trường không gian tự do là môi trường đồng nhất đẳng hướng và

Mục tiêu trong vũ trụ

Trạm trên mặt đất

Sóng tự do

Sóng trời Sóng đất Mặt đất

Hình 1.11 Bức xạ của nguồn bức xạ vô hướng trong 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 cách nguồn một khoảng r sẽ được xác định bằng công thức sau:

T i

1 m2

r

(PW)

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 như chỉ ra trên hình 1.12

vô hư ớn

g

bức xạ vô hướng

DD

vô hướng

A v ô

h ư ớ n

g

1.6.2 Công suất anten thu nhận đƣợc

Trong khi tính toán tuyến ta cần phải xác định công suất anten thu nhận đƣợc PR để đƣa vào đầu vào của máy thu sao cho máy thu có thể làm việc đƣợc Công suất anten thu nhận đƣợc bằng mật độ thông lƣợng công suất tại nơi đặt anten thu nhân với diện tích hiệu dụng của anten thu:

 T

rP

10log 10 L = 20log 10 (4r) - 20log 10 - 10log 10 G T - 10log 10 G R

L(dB) = 20log 10 (4r) - 20log 10 - G T (dBi) - G R (dBi) (1.26)

Nguyên lý Huyghen cho biết rằng mỗi điểm của mặt sóng gây ra bởi một nguồn bức xạ

sơ cấp có thể được coi như một nguồn sóng cầu thứ cấp mới Vì vậy nguyên lý này cho phép

ta có thể tính trường điện từ ở một điểm bất kỳ trong không gian khi đã biết được trường ở một bề mặt nào đó Giả sử nguồn của sóng sơ cấp đặt tại điểm A (hình 1.13) Ký hiệu S là một mặt kín bất kỳ bao quanh nguồn sóng Bây giờ ta xác định trường của sóng tại điểm bất

kỳ nằm ngoài mặt kín, theo các trị số của trường trên mặt S

Hình 1.13 Xác định trường theo nguyên lý Huyghen

Ký hiệu  là thành phần của trường cần tìm tại điểm M và S là trị số của thành phần ấy trên mặt S Khoảng cách từ mỗi điểm trên mặt S đến M được ký hiệu là r

Theo nguyên lý Huyghen, trường thứ cấp tạo bởi một nguyên tố bề mặt dS tại điểm M được xác định theo công thức

ikr S

sơ cấp có cùng bán kính Như chỉ ra trong hình các sóng thứ cấp bắt nguồn từ các điểm dọc

AA‟ có biên độ không cùng tỉ lệ theo tất cả các hướng Nếu gọi  là góc giữa hướng của điểm

C bất kỳ trên mặt cầu sơ cấp và véc tơ pháp tuyến của mặt sóng thì biên độ sóng sơ cấp theo hướng đó sẽ tỉ lệ với (1+ cos) Như vậy biên độ sóng theo hướng k sẽ tỉ lệ với (1+ cos0) = 2, còn trong hướng khác biên độ sẽ nhỏ hơn 2 Sóng ngược trở lại có biên độ bằng 0 vì (1+ cos) = 0 Do đó không có sóng truyền theo hướng ngược trở lại Các sóng truyền về phía trước theo hướng pháp tuyến với mặt sóng Sự sai khác pha giữa các dao động tại các điểm lân cận của các đường AA‟ và BB‟ phụ thuộc vào khoảng cách r giữa chúng theo tỉ lệ k.r =

2r/ Nếu r =  thì tất cả các điểm của AA‟ và BB‟ sẽ dao động cùng pha, còn nếu r = /2 thì các điểm đó sẽ dao động ngược pha

Hình 1.14 Biểu diễn nguyên lý Huyghen trong không gian tự do

1.7.2 Miền Fresnel

Nguyên lý Huyghen cho phép xác định phần không gian thực sự tham gia vào quá trình truyền lan sóng Giả sử có một nguồn bức xạ được đạt tại điểm A và máy thu được đặt tại điểm B Lấy A làm tâm, ta vẽ một hình cầu bán kính r1 Hình cầu này là một trong số các mặt sóng Trên hình 1.15 ký hiệu r2 là khoảng cách từ B đến mặt cầu bán kính r1 Từ B vẽ một họ các đường thẳng cắt mặt cầu ở các điểm cách B một khoảng bằng r2 +/2 Họ các đường thẳng này sẽ tạo thành một hình chóp nón cắt mặt cầu tại N1 và N1‟ Bằng cách tương tự ta lập các mặt nón bậc cao có

Áp dụng nguyên lý Huyghen, ta coi mặt cầu là tập hợp những nguồn điểm thứ cấp và ta tính trường tạo bởi những nguồn ấy tại điểm B Các nguồn điểm thứ cấp trong miền Fresnel thứ nhất sẽ tạo ra trường tại B có pha khác pha với trường do điểm N0 tạo ra ở B một góc 

< 1800 Pha của trường tạo bởi nguồn điểm thứ cấp trong miền Fresne bậc hai khác pha với trường do điểm N0 tạo ra ở B một góc 1800 <  < 3600 Một cách tổng quát có thể thấy rằng Pha của trường tạo bởi miền Fresne bậc hai khác pha với trường tạo bởi miền Fresnel thứ nhất

1800 Pha của trường tạo bởi miền Fresne bậc ba khác pha với trường tạo bởi miền Fresnel thứ hai 1800 sự khác nhau ấy được biểu thị bởi các dấu cộng, trừ trên hình vẽ

Hình 1.15 Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel trên mặt sóng cầu

Qua khảo sát, chúng ta thấy rằng tác dụng của các miền Fresnel bậc cao nằm kề nhau sẽ

bù trừ cho nhau do pha của chúng ngược nhau nên cuối cùng tác dụng tổng hợp của tất cả các miền Fresnel bậc cao gần như chỉ tương đương tác dụng của khoảng nửa miền Fresnel thứ

+ +

+ + + + + +

+ + + +

+ + + +

+ + + +

Hình 1.17 Vùng tham gia vào quá trình truyền lan sóng

1.8 TỔNG KẾT CHƯƠNG

Chương này đã xét các vấn đề chính liên quan đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến Thứ nhất là về phân cực của sóng vô tuyến điện, việc sử dụng các phân cực khác nhau của sóng điện từ có ý nghĩa rất lớn trong việc sử dụng một cách hiệu qủa tần số trong thông tin vô tuyến Thứ hai là về cách phân chia các băng sóng vô tuyến và ứng dụng Thứ ba đề cập đến các phương pháp truyền lan sóng, có bốn phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực

đó là: Truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng không gian, truyền lan sóng trời và truyền lan sóng tự do Mỗi phương thức truyền sóng sẽ được sử dụng để truyền lan cho băng sóng nhất định để đạt được hiệu quả lớn nhất

Trong chương cũng đưa ra các công thức tính toán các thông số cơ bản của quá trình truyền sóng đó là mật độ công suất, cường độ điện trường, công suất nhận được tại điểm thu,

và tổn hao truyền sóng Phần cuối đề cập đến khái niệm miền Fresnel và từ đó xác định khoảng không gian trực tiếp tham gia vào quá trình truyền lan sóng từ điểm phát đến điểm thu được giới hạn bởi một nửa miền Fresnel thứ nhất

1.9 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1.Trình bày các dạng phân cực của sóng vô tuyến điện

2 Trình bày các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực

3 Xây dựng công thức tính mật độ công suất bức xạ và cường độ điện trường khi truyền sóng trong môi rường không gian tự do

4 Phát biểu định nghĩa và viết biểu thức tính tổ hao truyền sóng

5 Trình bày về miền Fresnel

6 Mặt trời có công suất bức xạ theo mọi hướng khoảng 3,85.1020 W, khoảng cách nhỏ nhất từ quả đất đến mặt trời là 147.098.090 km (vào tháng giêng) và lớn nhất là 152.097.650

km Tính:

b1max

B

A

- Mật độ công suất bức xạ cực tiểu và cực đại của mặt trời lên bề mặt quả đất?

- Mật độ công suất bức xạ mặt trời ở khoảng cách trung bình và tỷ lệ phần trăm sai số của bức xạ cực đại và cực tiểu so với giá trị trung bình?

7 Một máy phát có công suất 3 W, anten phát có hệ số khuếch đại là 30 dBi Ở cự ly 40

km đặt một anten thu có diện tích hiệu dụng là 3,5 m2

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

(a) 0,164.10-5 W; (b) 0,164.10-4 W; (c) 0,154.10-5 W ; (d) 0,154.10-4 W

8 Xác định công suất máy phát cần thiết để thực hiện tuyến thông tin có các điều kiện:

cự ly thông tin 50 km, tần số công tác 2GHz, hệ số khuyếch đại của anten thu và anten phát là

30 dBi, công suất anten thu nhận được là 10-6W

10 Công suất ở bài 9 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

(a) 3 W; (b) 3,5W; (c) 4 W; (d) 5 W

CHƯƠNG 2: TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Như đã giới thiệu ở chương 1, sóng cực ngắn là những sóng có tần số từ 3MHz đến 300GHz (ứng với bước sóng nhỏ hơn 10 m) và được chia thành 4 băng:

+ Sóng mét: bước sóng từ 10 m đến 1m (30 - 300 MHz)

+ Sóng decimét: bước sóng từ 1m đến 10 cm (300 - 3000 MHz)

+ Sóng centimét: bước sóng từ 10 cm đến 1cm (3000- 30.000 MHz)

+ Sóng milimét: bước sóng ngắn hơn 1cm (tần số cao hơn 30.000 MHz)

Phương pháp truyền của sóng cực ngắn:

+ 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

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN

2.2.1 Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu

Tầng đối lưu là lớp khí quyển trải từ bề mặt trái đất lên đến độ cao khoảng 8 - 10 km vĩ tuyến cực, khoảng 10 - 12 km ở các vĩ tuyến trung bình và 16 - 18 km ở vùng nhiệt đới Tầng đối lưu là một môi trường có các tham số thay đổi theo thời gian và không gian Các hiện tượng khí tượng như mưa, bão, tuyết đều xảy ra trong tầng đối lưu Bởi vậy tầng đối lưu là một môi trường không đồng nhất Nếu một vùng nào đó trong tầng đối lưu không đồng nhất với môi trường xung quanh, theo nguyên lý quang, một tia sóng đi vào vùng không đồng nhất

sẽ kị khuếch tán ra mọi phía Sơ đồ tuyến thông tin theo phương thức tán xạ tầng đối lưu được

vẽ ở hình 2.1

Giả sử anten phát đặt tại A, giản đồ tính hướng của nó được giới hạn bởi hai đường AC

và AC1 và chiếm một thể tích nhất định của tầng đối lưu An ten thu đặt tại B, giản đồ tính hướng của nó được giới hạn bởi hai đường BC và BD Hai giản đồ này giao nhau tại thể tích

V, thể tích này sẽ tham gia vào quá trình truyền sóng tán xạ và đươc gọi là thể tích tán xạ Nếu trong thể tích V cấu tạo của khí quyển không đồng nhất, nghĩa là trong đó có những miền

mà hệ số điện môi cục bộ khác với hệ số điện môi của môi trường xung quanh thì sóng đi vào vùng này sẽ bị khuếch tán ra mọi phía và một phần sẽ được truyền tới anten thu

Hình 2.1 Sự khuếch tán sóng trong tầng đối lưu

Trong thực tế phương thức thông tin này ít được sử dụng do độ tin cậy kém, pha đinh sâu, yêu cầu công suất máy phát lớn và tính hướng anten cao

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

Ở một khoảng chiều cao nào đó của tầng đối lưu nếu chiết suất biến thiện theo quy luật

dN

,

dh   0 157 (1/m) thì tia sóng đi vào tầng đối lưu sẽ bị uốn cong với độ cong lớn hơn độ cong quả đất, minh họa trong hình 2.2 Hiện tượng đó gọi là hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu

Hình 2.2 Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu

Giả thiết miền siêu khúc xạ trải từ mặt đất lên đến độ cao h0, đồng thời ở độ cao lớn hơn

h0 chiết suất biến thiên theo quy luật giống như đối với tầng đối lưu thường Đặt tại A một nguồn bức xạ, những tia sóng có góc xuất phát lớn hơn so với mặt phẳng nằm ngang (tia 1 và

tia 2) sẽ bị khúc xạ ít và nó xuyên qua miền siêu khúc xạ mà không bị giữ lại Ta ký hiệu th

là góc giới hạn mà khi sóng xuất phát theo góc đó sẽ bị uốn cong theo đường giới hạn ở độ cao h0 (bán kính cong của tia sóng bằng bán kính trái đất, tia 3) Tất cả các tia có góc xuất phát  < th đều bị uốn cong trở về mặt đất và phản xạ nhiều lần để truyền đi xa Hình ảnh sóng truyền đi xa khi có hiện tượng siêu khúc xạ giống với quá trình truyền sóng trong một ống dẫn sóng mà thành trên của ống dẫn là giới hạn trên của miên siêu khúc xạ và thành dưới

là mặt đất

Lợi dụng tính chất trên của miền siêu khúc xạ để truyền lan sóng cực ngắn đi xa Tuy nhiên miền siêu khúc xạ xảy ra bất thường, độ cao và chiều dài của miền siêu khúc xạ cũng luôn luôn thay đổi nên sử dụng phương pháp truyền lan bằng siêu khúc xạ tầng đối lưu thông tin bị thất thường và không liên tục Chính vì thế phương pháp này cũng không sử dụng cho thông tin vi ba

2.2.3 Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp

Hai phương pháp thông tin trên không được sử dụng rộng rãi vì các nhược điểm của nó, phụ thuộc nhiều vào điều kiện thiên nhiên Bởi vậy, thông tin vi ba thường sử dụng phương pháp truyền lan trong phạm vi nhìn thấy trực tiếp Nghĩa là hai anten thu và phát phải đặt cao trên mặt đất để không bị che chắn bởi các chướng ngại vật có trên mặt đất, như chỉ ra trong hình vẽ

Hình 2.3 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp

Phần dưới đây ta sẽ xem xét kỹ phương pháp truyền lan này

2.3 TRUYỀN LAN SÓNG TRONG GIỚI HẠN NHÌN THẤY TRỰC TIẾP VỚI ĐIỀU KIỆN LÝ TƯỞNG

2.3.1 Tính cường độ trường với trường hợp tổng quát - công thức giao thoa

Để đơn giản trước hết ta nghiên cứu quá trình truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với giả thiết môi trường ở các điều kiện lý tưởng Đó là: mặt đất phẳng, bỏ qua độ cong