Anten và truyền sóng

Truyen song vo tuyen

Anten và truyền sóng

Lecturer: M.Eng P.T.A Quang

TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN

1 Giới thiệu

2 Quá trình truyền sóng trong không gian

3 Truyền sóng trong tầng đối lưu

4 Truyền sóng trong tầng điện ly

5 Sóng mặt

6 Truyền sóng với tần số thấp và cực thấp

1 Giới thiệu

Sóng điện từ truyền trong bầu khí quyển của trái đất

Dải tần: 100Hz ELF (Extremely low frequency)  300GHz EHF (Extremely high frequency)

Tầng đối lưu (troposphere): vùng thấp của khí quyển (thấp hơn 10km)

Tầng điện ly (ionoshpere): từ 50 km đến 1000 km

Ảnh hưởng đến sóng: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, suy hao, phân cực

Giới thiệu

4 Bước nhảy ở tầng điện ly: MF HF broadcast, communication

5 Dẫn sóng nhờ tầng điện ly: VLF LF communication

Band name Abbr ITU Frequency Examples

Tremendously

low freq

TLF <3Hz Natural and man-made electromagnetic

noise Extremely low

freq

ELF 3-30 Hz Communication with submarine

Super low freq SLF 30-300Hz

Ultra low freq ULF 300-3000Hz Submarine communications, comm

within mines Very low freq VLF 4 3-30 KHz Navigation, time signals,…

Low freq LF 5 30-300 KHz Navigation, AM , RFID, amateur radio,…

Medium freq MF 6 300-3000 KHz AM, amateur radio,…

High freq HF 7 3-30 MHz RFID, OTH radar,…

Very high freq VHF 8 30-300MHz FM, TV, amateur radio,…

Ultra high freq UHF 9 300-3000 MHz TV, WLAN, Bluetooth, Zigbee,…

Super high freq SHF 10 3-30 GHz WLAN, satellite,…

2 Quá trình truyền trong không gian

2

4

T Di

Công suất phát trung

bình

Mật độ công suất phát theo hướng cực đại

24

2 Quá trình truyền trong không gian

Phương trình cơ bản truyền sóng trong không

gian tự do

3

2

0.57 10( )

R

T R T

P

R T T

R





d(km), f(MHz)

Vệ tinh ở độ cao 36000km, tần số được dùng là

4000MHz, độ lợi anten phát là 15dB và độ lợi anten thu 45dB Tìm hệ số suy hao đường truyền và công suất thu được khi công suất phát là 200W

Ví dụ

2 Quá trình truyền trong không gian

Thông thường tại đầu anten thu phải tìm được cường độ điện trường

2.2 Các hệ thống vi ba

• Các sóng điện từ vi ba: > 1GHz, hoạt động theo

phương truyền thẳng (LOS: line – of - side)

• Tần số sóng mang thuộc dải tần 3 – 12 GHz

• Vì sóng vi ba truyền thẳng nên cần có trạm lặp

trong vòng 50 km

• Công suất thấp (có thể <1W) vì dùng các anten có

độ lợi hướng tính cao

3 Truyền sóng trong tầng đối lưu

Tầng đối lưu là vùng khí quyển nằm kế cận bề mặt trái đất và có độ cao hàng chục km Trong vùng này điều kiện truyền sóng trong không gian tự do bị thay đổi do:

- Bề mặt cong của trái đất

- Do bầu khí quyển

3.1 Các mode truyền sóng

T D

P P E

m



3 Truyền sóng trong tầng đối lưu

Cường độ điện trường tại anten thu

Bài tập: Trong hệ thống phát sóng di động VHF, trạm chính phát công suất 100W ở tần số 150MHz, và

anten cao 20m Anten phát là dipole với độ lợi là 1.64 Tính cường độ trường tại anten thu cao 2m

cách đó 40km

/ 2



3.2 Đường chân trời vô tuyến

3.3 Bản đồ cong

3.4 Siêu khúc xạ và khúc xạ phụ

3.5 Suy hao trong tầng khí quyển

Các sóng siêu cao tần >10GHZ bị ảnh hưởng mạnh bởi các điều kiện khí quyển.

Mưa nặng hạt làm suy hao nghiêm trọng các sóng điện từ

>10GHz

Mưa vừa và mây, sương mù ảnh hưởng suy hao nghiêm trọng đến các sóng điện từ có tần số > 30GHz

3.6 Các hệ thống vô tuyến VHF/UHF

Dải tần từ 30MHz – 3GHz

Truyền trong tầng đối lưu

Công dụng chủ yếu của đường truyền thông tin hai chiều trong dải UHF và VHF là hệ thống thông tin giữa một trạm cố định và hàng trăm đơn vị di động, được đặt trên xe cộ, tàu thủy, máy bay trong các dải tần từ 30-

Điện áp cung cấp cho các thiết bị di động thông thường từ 12V cho các

thiết bị di động thông thường, 28V và 48V cho máy bay

Các trạm cố định thông thường hoạt động trực tiếp ở 110V, 6Hz

4 Truyền sóng trong tầng điện ly

4.1 Các lớp trong tầng điện ly

Các lớp khí quyển trên cao bị ion hóa hình thành lớp điện ly Người ta chia tầng điện ly thành các lớp con C,D, E,F1 và F2 Trong thời gian ban đêm chỉ có lớp F2 vẫn tồn tại

Lớp F2: 300km ban ngày, 350 km ban đêm Tần số tới hạn

~8MHz ban ngày, ~ 6Mhz ban đêm Cự ly lớn nhất truyền sóng ~3840km ban ngày

4.2 Tần số plasma và tần số tới hạn

Khi sóng điện từ đi vào một vùng điện ly theo phương thẳng đứng, trường điện từ tác động một lực lên các điện tích (electron và ion) - các hạt điện tích di chuyển hình thành dòng điện

Vận tốc góc sóng hay còn gọi vận tốc góc plasma

2 2

0

e N

Nq m

4.2 Tần số plasma và tần số tới hạn

Khi sóng điện từ đi vào một vùng điện ly theo phương thẳng đứng, trường điện từ tác động một lực lên các điện tích (electron và ion) - các hạt điện tích di chuyển hình thành dòng điện

Vận tốc góc sóng hay còn gọi vận tốc góc plasma

2 2

0

e N

Nq m

định trước với mật độ electron cao nhất:

4.3 Vận tốc pha và vận tốc nhóm

4.4 Định luật Secant và tần số

4.5 Tần số làm việc tối ưu

4.6 Đô cao biểu kiến

Độ cao biểu kiến là độ cao mà ở đó sóng được xem như

phản xạ với hằng số vận tốc c

Việc đo độ cao biểu kiến được thực hiện bằng một thiết bị gọi là ionsode Phương pháp cơ bản là phát thẳng đứng một xung điều chế với thời gian xung 15microgiây Tín hiệu phản

xạ được thu gần điểm phát và thời gian T cần cho toàn bộ quá trình đó Độ cao biểu kiến khi đó là:

2

cT

h 

4.6 Đô cao biểu kiến

h TR

4.6 Đô cao biểu kiến

Ví dụ: Tính cự ly thông tin cho quá trình truyền trong tầng điện ly ở lớp có độ cao biểu kiến là 200km Góc ngẩng của chùm tia 300 Giả sử mặt đất phẳng

5 Sóng mặt

Quá trình truyền sóng gần với mặt đất sẽ theo một đường cong của bề mặt trái đất do ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xạ Ảnh hưởng của nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng

Tần số giới hạn 2MHz

5.1 Các chế độ truyền sóng

30 T T

A P G E

d



Cường độ điện trường

Hệ số suy hao

6 Truyền sóng với tần số cực thấp

Dải tần: 30 – 300Hz, dùng để truyền tín hiệu qua các độ sâu qua mặt đất và đại dương

Vì bước sóng dài lên cần anten phát lớn

Công suất cung cấp cho anten phát 3.88MHW, suy hao trên vật dẫn 43%, 11% trên đầu cuối với đất của anten, 46% từ điện trở đất và dây dẫn, phần còn lại khoảng 69W là công suất bức xạ

6 Truyền sóng với tần số cực thấp

Ví dụ: Nước biển có độ dẫn điện trung bình là 4S/m và hằng

số điện môi tương đối là 80 Tính hệ số suy hao theo dB/m

cho tín hiệu a)100Hz và b) 1MHz