Bài giảng môn Truyền sóng và Anten

powwer point

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

Chương 2 - Phần 2.1

 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

Chương 2 - Phần 2.1 - Mục 2.1.1

2.1.1 Tán xạ tầng đối lưu

- Tồn tại các vùng không gian không đồng nhất trong tầng đối lưu (có các tham số môi trường thay đổi theo thời gian và không gian)

- Sóng đi vào trong vùng không đồng nhất sẽ bị khuếch tán theo mọi hướng

- Trong thực tế, phương pháp

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.

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

−

<

+ αgh là góc của tia 3 với mặt phẳng nằm ngang

- Nếu α > αgh các tia sóng bị khúc xạ ít và xuyên qua miền siêu khúc xạ (tia 1 và tia 2)

- Nếu α < αgh các sóng bị uốn cong trở về mặt đất và phản xạ 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

Chương 2 - Phần 2.1 - Mục 2.1.3

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

Chương 2 - Phần 2.2

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

 Khảo sát quá trình truyền lan sóng với 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

 Sơ đồ truyền lan sóng

Sóng đến ATT theo 2 đường:

Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1

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

 Cường độ điện trường tại điểm thu sẽ là tổng cường độ trường

 Cường độ trường do tia 1 truyền tới

EB = +

( )

)/(

2

2 )

( 1

r

G

P R

Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1

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

 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 ≈λ

 Cường độ trường do tia 1 truyền tới

( )

)/(

r

G

P R

1

.

) ( 1 2

r

G

P E

E

π θ

= +

2cos

21

245

) (

2 )

( 1

m mV

e r

R r

R G

P

km

T kW

ϕ ω

cos1

sin

R

R tg

+

=

( )

) / (

.

cos 2

1

m mV

e r

R R

cos 2

1

.

m mV R

R

G P

Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1

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

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

2 2

2 2

2 ' 2

2 ( AB ) ( h h ) r

( 2 1)

1 2

2 1

=

) (

2

m r

Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1

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

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

+

=

r

h h r

λ

πλ

h

λ

π λ

sin2)

4cos(

22

2

12

21

2sin1

2

λ

π λ

π λ

h

h r

h

)

()12

λ

+

=

Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1

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

 Fmin=0 khi

Thay (2.11) vào (2.9) ta có: Cường độ trường hiệu dụng tại B

(công thức giao thoa):

(2.14)

λ

π λ

π λ

0

2sin0

h

h r

h

)

()1(

2

n

h h

2 sin

.

346 1( )

m

mV r

h

h r

Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.2

2.2.2 Công thức Vedenski - dạng đơn giản của (2.14)

- Ta biết sin α ≈ α (rad) khi α ≤ 200 ( π /9) nên:

2

λ

π λ

π λ

r

h

h r

h h r

và

r h

(

.

17 , 2

) (

2 ) (

) ( 1

m

mV r

h h G

P E

m km

t r T kW

h

λ

=

Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.3

2.2.3 Điều kiện truyền sóng tốt và tốt nhất

Nhắc lại:

 Cường độ trường hiệu dụng tổng hợp của 2 tia

 Cường độ trường hiệu dụng tại điểm thu B chỉ do một tia tới trực tiếp truyền tới là :

( )

) / (

2 sin

.

346 1( )

m

mV r

h

h r

) / (

173

) (

) ( 1

m

mV r

G

P E

km

T kW

Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.3

2.2.3 Điều kiện truyền sóng tốt và tốt nhất

 "Điều kiện truyền sóng tốt" nghĩa là chỉ có 1TIA trực tiếp TỚI ĐIỂM

THU mà KHÔNG CÓ TIA PHẢN XẠ (TIA 2)

Điều kiện này xảy ra khi và chỉ khi:

(2.17)

 Nhận xét:

Nếu biết khoảng cách giữa các trạm thông tin (r) và bước sóng cho trước (λ) thì chọn độ cao anten thu và anten phát thỏa mãn điều kiện (2.17) thì tia phản xạ sẽ không còn tác dụng ảnh hưởng tới chất lượng thu tín hiệu tại B

126

22

12

r

h

h r

h

h

r t r

t r

λ

πλ

Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.3

2.2.3 Điều kiện truyền sóng tốt và tốt nhất

 "Điều kiện truyền sóng tốt nhất" nghĩa là không những chỉ có

1TIA trực tiếp TỚI ĐIỂM THU mà KHÔNG CÓ TIA PHẢN XẠ

(TIA 2) mà CƯỜNG ĐỘ TRƯỜNG còn TĂNG GẤP ĐÔI

Điều kiện này xảy ra khi và chỉ khi:

(2.18)

 Nhận xét:

Nếu biết khoảng cách giữa các trạm thông tin (r) và bước sóng cho trước ( λ ) thì chọn độ cao anten thu và anten phát thỏa mãn điều kiện (2.18) thì không những tia phản xạ sẽ không còn tác dụng mà cường độ trường được tăng gấp đôi tại điểm thu B.

42

21

h

h

r t r

t r

λ

πλ

Chương 2 - Phần 2.3

2.3 Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi tính đến độ cong của trái đất

 Khảo sát quá trình truyền lan sóng khi có độ cong của trái đất

+ Hiệu số đường đi giữa tia 1 và tia 2 thay đổi

+ Điểm phản xạ lồi nên có tính tán xạ  hệ số phản xạ nhỏ

+ Hạn chế tầm nhìn trực tiếp giữa anten thu và phát

 Sơ đồ truyền lan sóng

Chương 2 - Phần 2.3 - Mục 2.3.1

2.3.1 Công thức tính cự ly nhìn thấy trực tiếp

Cự ly nhìn thấy trực tiếp r0: là cự ly lớn nhất có thể nhìn thấy được với anten có độ cao ht,hr (độ dài của đường thẳng nối giữa

2 anten và tiếp tuyến với mặt đất)

57 ,

Chương 2 - Phần 2.3 - Mục 2.3.2

2.3.2 Công thức tính cường độ điện trường

 Quá trình truyền sóng ở cự ly nhỏ hơn cự ly nhìn thấy trực tiếp A1B1.

- Tương tự như mặt đất phẳng, chiều cao anten xác định bằng chiều cao giả định : h’ t , h’ r

- Giá trị chiều cao anten giả định xác định bằng hệ số bù m (tra theo bảng hoặc đồ thị)

)21.2(

'

'

r t r

) 22 2 ( )

( 2

m r

h h m

r = t r

∆

) 23 2

(

.

4

r

h h m

17

,

2 P1(kW) G T m h r(m) h t(m)

Chương 2 - Phần 2.4

2.4 Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi tính đến độ mấp mô (gồ ghề) của mặt đất

Thực tế mặt đất không bằng phẳng → sóng phản xạ mặt đất có tính chất tán xạ → ảnh hưởng lớn đến E tại điểm thu ⇒ cần thiết phải xác định

sự mấp mô của bề mặt

Với: (2.25) (h: độ cao của mặt đất phẳng giả định so

với mặt đất thực; θ: góc tới tại điểm phản xạ) thì sự phản xạ sóng không

Chương 2 - Phần 2.5

2.5 Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Chiết suất n của tầng đối lưu chỉ lớn hơn 1 rất ít, do đó trong tính toán để đảm bảo độ chính xác cao ta sử dụng chỉ

Chương 2 - Phần 2.5 - Mục 2.5.1

2.5.1 Hệ số điện môi và chiết suất tầng đối lưu

a Hệ số điện môi của không khí ≈ εo, phụ thuộc áp suất, nhiệt độ và

độ ẩm của không khí

trong đó: T: nhiệt độ mặt đất

P: Áp suất mặt đất

Ph: Áp suất tại độ cao h

b Chiết suất của môi trường:

từ (2.26) và (2.28) ta có:

) 27 2 ( 10

.

4810 156

=

T

P P

T

h

ε

) 28 2 ( 10

.

4810 78

1 2

=

− +

=

T

P P

T

n hay

) 29 2 (

4810 78

T

dh dN

: tầng đối lưu tiêu chuẩn

 Bán kính cong của quỹ đạo sóng khi có khúc xạ khí quyển?

- Khảo sát hai lớp khí quyển

kề nhau, có chiết suất khác

nhau lượng dn và dh là bề dầy

của lớp khí quyển có chiết

suất n+dn

- Cung ab nằm trên đường

tròn bán kính R, góc chắn tâm

dh d

30 2 (

(

sin

m dh

dn

n R

m dN dn

Chương 2 - Phần 2.5 - Mục 2.5.3

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

 Để khảo sát sự ảnh hưởng ta coi các tia sóng truyền theo quỹ đạo thẳng

nhưng không phải trên mặt đất cầu thực , có bán kính thực a=6370km (có bán kính cong R) mà trên mặt cầu tưởng tượng có bán kính a tương đương (td) , tia sóng

đi thẳng (R= ∞ ).

 Việc "thay thế" này phải thỏa mãn điều kiện: độ cong tương đối giữa mặt đất thực và tia sóng thực phải bằng độ cong tương đối giữa mặt đất tương đương và tia sóng đi thẳng.

( 1

1 1

1 1

R a

a a

a R

a − = td −∞ ⇒ td = −

Thay (2.32) vào (2.33) ta được:

) 34 2

( 10

1

=

dh

dN a

a dh

dn a

Chương 2 - Phần 2.5 - Mục 2.5.3

Loại khúc xạ (1/m) R (m) atđ (m) Quỹ đạo sóng

thực tế Quỹ đạo sóng tương đương

a atd < a

atd = a a

atd = ∞ a

Chương 2 - Phần 2.5 - Mục 2.5.4

2.5.4 Hấp thụ sóng trong tầng đối lưu

Sóng vô tuyến còn bị suy hao do các phần tử khí, mưa, sương mù.Hấp thụ phụ thuộc tần số, thay đổi theo không gian, thời gian

a Hấp thụ phân tử

- Chủ yếu do phân tử nước và oxy

- Phụ thuộc nhiều vào tần số, đặc

biệt tăng nhanh với tần số trên 10GHz

Chương 2 - Phần 2.5 - Mục 2.5.4

2.5.4 Hấp thụ sóng trong tầng đối lưu

b Hấp thụ trong mưa và sương mù

- Hấp thụ trong mưa phụ thuộc vào cường độ mưa tính theo mm/h, và theo tần số, tăng nhanh với tần số từ 6GHz trở lên

- Hấp thụ do sương mù phụ thuộc theo tần số và tầm nhìn xa của anten

- Gây thay đổi phân cực sóng

Chương 2 - Phần 2.6

2.6 Bài tập chương 2

Bài 1: Cho đường truyền có các thông số sau: Công suất bức xạ 15W, bước sóng công tác 35cm, hệ số khuếch đại của anten phát là 100, độ cao của anten phát và anten thu lần lượt là 80m, 20m; cự ly đường truyền là 10km Với R=0,91 và θ=180 o khi sóng phân cực ngang và R=0,68; θ=180 o khi sóng phân cực đứng Xác định: a

Hệ số suy giảm

b Cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu

c Tổn hao truyền sóng biết hệ số khuếch đại của anten thu là 100

Bài 2: Xác định hệ số suy giảm và cường độ điện trường tại điểm thu khi đường truyền có các tham số: công suất phát 50W; bước sóng công tác 10cm; hệ số khuếch đại anten phát 60; độ cao anten phát 25m, anten thu 10m; cự ly truyền sóng 10km, hệ

số phản xạ R=1 và θ=180 o

- Với bước sóng công tác là 1m thì cường độ điện trường tại điểm thu là?

Bài 3: Một anten phát đặt ở độ cao 49m và anten thu đặt tại độ cao 25m Khoảng cách tầm nhìn thẳng của hai anten là bao nhiêu?

Bài 4: Anten phát vô tuyến truyền hình đặt ở độ cao 64m Tính độ cao của anten thu tại một điểm đặt cách xa đài phát đó một khoảng 50km để có thể thu được tín hiệu.

Bài giảng môn Truyền sóng và Anten

GV: ThS Đinh Thành Trung Email: trungdt38@gmail.com

CHƯƠNG 3

LÝ THUYẾT CHUNG

VỀ ANTEN

Chương 3: Lý thuyết chung về anten

NỘI DUNG 3.1 Giới thiệu

3.2 Các tham số cơ bản của anten

3.3 Các nguồn bức xạ nguyên tố

3.4 Bài tập

Chương 3 - Phần 3.1 - Mục 3.1.1

3.1.1 Định nghĩa và vai trò của anten

- Là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến điện

- Được đặt ở đầu ra máy phát (để bức xạ sóng điện từ ra không gian)

và ở đầu vào máy thu (để thu nhận sóng điện từ từ không gian bên ngoài) - là thiết bị biến đổi năng lượng và định hướng truyền sóng.

Anten phát: Biến đổi tín

hiệu điện cao tần từ máy

Chương 3 - Phần 3.1 - Mục 3.1.2

3.1.2 Một số yêu cầu đối với anten

- Anten truyền và biến đổi năng lượng sóng điện từ với hiệu suất cao nhất và không gây méo dạng tín hiệu

- Anten phải bức xạ đồng đều - giải thông đủ rộng - trong mặt phẳng ngang để mọi hướng đều thu được tín hiệu (trong phát thanh, truyền hình )

- Anten phải bức xạ tính hướng cao - sóng bức xạ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian (trong thông tin viba, thông tin vệ tinh, rada v v.)

- Chịu được công suất khi phát và có khả năng chống nhiễu khi thu.

- Kích thước gọn, trọng lượng nhẹ, giá thành rẻ.

Chương 3 - Phần 3.1 - Mục 3.1.3

3.1.3 Các cách phân loại anten

- Công dụng anten: anten phát, anten thu, anten thu

- phát

- Dải tần công tác của anten: anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóng ngắn, anten sóng cực ngắn

- Cấu trúc của anten: anten vòng, anten xoắn;

- Đồ thị phương hướng của anten: anten vô hướng, anten có hướng

- Phương pháp cấp điện cho anten: anten đối xứng, anten không đối xứng.

Chương 3 - Phần 3.2 - Mục 3.2.1

3.2 Các tham số cơ bản của anten

3.2.1 Hàm tính hướng:

 Là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ của

AT theo hướng khảo sát khi cự ly khảo sát là không đổi

 Hàm tính hướng biên độ: Biểu thị quan hệ của biên độ trường

bức xạ theo hướng khảo sát với cự ly khảo sát không đổi

 Hàm biên độ tương đối (chuẩn hóa): biểu thị quan hệ của biên độ trường bức xạ ở hướng khảo sát với biên độ trường ở hướng cực đại

Chương 3 - Phần 3.2 - Mục 3.2.2

3.2.2 Đồ thị tính hướng:

Chương 3 - Phần 3.2 - Mục 3.2.2

3.2.2 Đồ thị tính hướng:

- Là đồ thị không gian biểu thị sự biến đổi tương đối của biên độ trường bức xạ theo hướng khảo sát khi cự ly khảo sát là không đổi

- Được vẽ trên tọa độ đề các hoặc tọa độ cực

+ Mặt phẳng chọn vẽ đồ thị là hai mặt phẳng vuông góc đi qua hướng bức xạ cực đại của anten

+ Với tọa độ cực, trục chuẩn ban đầu chọn trùng với trục đối xứng của đồ thị, bắt đầu ở hướng cực đại

+ Thang biểu diễn có thể theo thang thập phân hay thang

2θ θ3dB

Độ rộng của đồ thị tính hướng

Chương 3 - Phần 3.2 - Mục 3.2.4

3.2.4 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ, hiệu suất

a Công suất đưa vào anten từ máy phát là PA=Pbx+Pth

- Pbx: Công suất bức xạ thành năng lượng sóng điện từ

- Pth: Công suất bị tổn hao do nhiệt bởi vật dẫn, chất điện môi của anten hay phần mất mát do các linh, phụ kiện của anten

b Hiệu suất anten (đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten)

th th

bx

bx th

bx

bx A

bx a

R

R P

P R

R

R P

P

P P

P

+

=+

=+

=+

=

=

1

11

1

η

bx m

D( θ , ϕ ): hệ số tính hướng của AT khảo sát ở hướng ( θ , ϕ ) với khoảng

rS( θ , ϕ ): mật độ công suất bức xạ của AT khảo sát ở hướng ( θ , ϕ ), khoảng r

S o : mật độ công suất bức xạ của AT vô hướng tại cùng điểm xét

theo lý thuyết trường có:

có vào

thay

E H

và H

E

h h

D θ ϕ = θ ϕ

Chương 3 - Phần 3.2 - Mục 3.2.5

3.2.5 Hệ số tính hướng, hệ số tăng ích (khuếch đại) anten

- Biên độ cường độ trường tại một hướng bất kỳ có quan hệ với hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa và giá trị cường độ trường ở hướng bức xạ cực đại theo công thức:

b Hệ số khuếch đại của anten (tăng ích hoặc độ lợi)

Định nghĩa như hệ số tính hướng nhưng hai anten có công suất đưa vào anten như nhau và anten chuẩn có hiệu suất = 1

Chương 3 - Phần 3.2 - Mục 3.2.6

3.2.6 Trở kháng vào của anten

Anten sẽ trở thành tải khi mắc vào máy phát hoặc máy thu → trị số của tải này được đặc trưng bởi 1 đại lượng gọi là trở kháng vào của anten.Trở kháng vào ảnh hưởng tới chế độ làm việc của các thiết bị nối tới anten

- Thuần trở R đặc trưng cho thành phần năng lượng bức xạ thành sóng điện từ (gồm điện trở bức xạ và phần điện trở tổn hao)

- Điện kháng X là biểu thị phần công suất vô công không bức xạ ra ngoài

- Ua: Điện áp đầu vào anten

- Ia: Dòng điện đầu vào anten

)11.3(

vA vA

a

a

I U

Z = = +