BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG – ANTEN

TRUYỀN SÓNG – ANTEN Lưu hành nội HÀ NỘI - 2006 TRUYỀN SÓNG – ANTEN Biên soạn : LỜI NĨI ĐẦU Các hệ thống thơng tin vơ tuyến đặc biệt hệ thống thông tin di động phát triển mạnh mẽ Quá trình truyền sóng anten phần kiến thức khơng thể thiếu nghiên cứu hệ thống Mục đích tài liệu cung cấp cho sinh viên kiến thức truyền lan sóng vơ tuyến điện anten.Tài liệu bao gồm giảng mơn học "Truyền sóng anten" biên soạn theo chương trình đại học cơng nghệ viễn thơng Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Tài liệu xây dựng sở sinh viên học môn: Lý thuyết trường điện từ, Kỹ thuật siêu cao tần Do hạn chế thời lượng nên tài liệu bao gồm phần liên quan đến kiến thức truyền sóng anten Tuy nhiên học kỹ tài liệu sinh viên hồn chỉnh thêm kiến thức môn học cách đọc tài liệu tham khảo dẫn cuối tài liệu Tài liệu chia làm sáu chương Được kết cấu hợp lý để sinh viên tự học Mỗi chương có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài tập Cuối tài liệu đáp án cho tập i MỤC LỤC CHƯƠNG CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Nhắc lại số tính chất sóng điện từ 1.3 Sự phân cực sóng vơ tuyến điện 1.4 Ngun tắc phân chia sóng vơ tuyến điện theo tần số bước sóng 1.5 Các phương pháp truyền lan sóng mơi trường thực 1.6 Cơng thức truyền sóng khơng gian tự 1.7 Nguyên lý Huyghen miền Fresnel 1.8 Tổng kết 1.9 Câu hỏi tập 1 10 13 18 18 CHƯƠNG TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN 20 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn 2.3 Truyền lan sóng giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng 2.4 Truyền lan sóng giới hạn nhìn thấy trực tiếp kể đến ảnh hưởng địa hình 2.5 Ảnh hưởng tầng đối lưu không đồng 2.6 Các dạng pha đinh biện pháp chống 2.7 Tổng kết 2.8 Câu hỏi tập 20 20 22 29 32 40 41 41 CHƯƠNG KÊNH TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN TRONG THƠNG TIN DI ĐỘNG 43 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Mở đầu 3.3 Kênh truyền sóng miền khơng gian 3.4 Kênh truyền sóng miền tần số 3.5 Kênh truyền sóng miền thời gian 3.6 Quan hệ thông số miền khác 3.7 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 3.8 Các phân bố Rayleigh Rice 3.9 Các mơ hình kênh miền thời gian miền tần số 3.10 Ảnh hưởng thừa số K kênh Rice trải trễ lên thuộc tính kênh miền tần số 3.11 Tổng kết 3.8 Câu hỏi tập 43 43 48 49 50 51 52 53 54 CHƯƠNG LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 62 4.1 Giới thiệu chung 4.2 Mở đầu 4.3 Các tham số anten 4.4 Các nguồn xạ nguyên tố 4.5 Tổng kết 4.6 Câu hỏi kiểm tra 62 62 65 73 79 79 CHƯƠNG CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 81 5.1 Giới thiệu chung 5.2 Phân bố dòng điện chấn tử đối xứng 81 81 57 60 61 iv 5.3 Trường xạ chấn tử đối xứng không gian tự 5.4 Các tham số chấn tử đối xứng 5.5 Ảnh hưởng mặt đất đến đặc tính xạ anten 5.6 Hệ hai chấn tử đặt gần 5.7 Các phương pháp cấp điện cho chấn tử đối xứng 5.8 Tổng kết 5.9 Câu hỏi tập 83 85 92 96 103 109 109 CHƯƠNG ANTEN DÙNG TRONG THÔNG TIN VI BA 111 6.1 Giới thiệu chung 6.2 Đặc điểm yêu cầu anten dùng thông tin vi ba 6.3 Anten nhiều chấn tử 6.4 Anten khe 6.5 Nguyên lý xạ mặt 6.6 Anten loa 6.7 Anten gương 6.8 Tổng kết 6.9 Câu hỏi tập 111 111 113 120 124 129 132 138 138 HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 v Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng CHƯƠNG CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SĨNG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Các chủ đề trình bày chương - Sự phân cực sóng vơ tuyến điện - Phân chia sóng vơ tuyến điện theo tần số bước sóng - Các phương pháp truyền lan sóng mơi trường thực - Cơng thức truyền sóng khơng gian tự 1.1.2 Hướng dẫn - Hoc kỹ phần trình bày chương - Tham khảo thêm [1], [2], [3] - Trả lời câu hỏi tập 1.1.3 Mục đích chương - Nắm dạng phân cực sóng vơ tuyến điện băng sóng vơ tuyến - Hiểu phương pháp truyền lan sóng mơi trường thực - Nắm cách tính tốn tham số truyền sóng khơng gian tự 1.2 NHẮC LẠI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA SĨNG ĐIỆN TỪ Sóng điện từ bao gồm hai thành phần: điện trường, ký hiệu E (V/m) từ trường, ký hiệu H (A/m) Chúng có quan hệ mật thiết với q trình truyền lan mơ tả hệ phương trình Maxwell, viết dạng khác Giả sử ta xét sóng phẳng truyền lan mơi trường điện mơi đồng đẳng hướng có tham số: hệ số điện môi ε hệ số từ thẩm µ, khơng có dịng điện điện tích ngồi, hệ phương trình Maxwell biểu thị mối quan hệ điện trường từ trường viết dạng vi phân sau: ∂Ex ∂Hy  ε ∂t = − ∂z   ∂Ex ∂H y  = ∂t −µ  ∂t (1.1) Nghiệm hệ phương trình cho ta dạng thành phần điện trường từ trường hàm  z (1.2a) E =F t− z  + + x   H =G + y v  t−    F2  t  z  +  G2  t     v v (1.2b) z v    Trong đó: F1, F2, G1, G2 hàm sóng tùy ý ∆z v= = (m/s) vận tốc pha sóng ∆t  Từ (1.2) ta có : G1 = F1/ Z G2 = F2/ Z với Z=   (Ω) trở kháng sóng mơi trường Nếu mơi trường truyền sóng chân khơng (cịn gọi không gian tự do) tham số mơi trường có giá trị: ε0 = 109/36π (F/m) ; µ0 = 4π.10-7 (H/m) Do : v= 00 Z0 = 0 = 3.108 (m / s) = c (vận tốc ánh sáng) 0 = 120π (Ω) Trong thực tế sóng điện từ thường biến đổi điều hịa theo thời gian Đối với sóng điện từ phức tạp ta coi tổng vơ số dao động điều hịa, nghĩa áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị Trong trường hợp giả thiết có sóng thuận, tức sóng truyền từ nguồn theo phương trục z mơi trường mà khơng có sóng nghịch thành phần điện trường từ trường biểu thị sau: ( v) = Em cosω(t − kz) E cosω ( t − ) = cosω ( t − z E = Em cosω t − z H= Em kz) m v Z Z (1.3) Trong k = ω/v = 2π/λ gọi hệ số pha hay số sóng Sóng điện từ có mật độ cơng suất ( hay cịn gọi thơng lượng lượng), biểu thị véc → → → tơ lượng k = [E × H] Như sóng điện từ có véc tơ E H nằm mặt phẳng vng góc với phương truyền sóng k Bởi sóng điện từ truyền mơi trường đồng đẳng hướng sóng điện từ ngang TEM Hình 1.1 Sự truyền lan sóng điện từ 1.3 SỰ PHÂN CỰC CỦA SĨNG VƠ TUYẾN ĐIỆN Trường điện từ sóng vơ tuyến điện mơi trường dao động theo hướng định Phân cực sóng điện từ hướng dao động trường điện từ Việc sử dụng phân cực khác sóng điện từ có ý nghĩa lớn việc sử dụng hiệu tần số thông tin vô tuyến → →tại →vùng xa anten có dạng sóng phẳng TEM xác định vectơ Trường Pointing: = × Điều có nghĩa vectơ E H nằm mặt phẳng vng góc k [E H] → với phương truyền sóng k Phương đường đầu mút véc tơ trường điện vẽ lên xác định phân cực sóng Trường điện trường từ hàm thay đổi theo thời gian Trường từ thay đổi đồng pha với trường điện biên độ tỷ lệ với biên độ trường điện, ta cần xét trường điện Có ba loại phân cực sóng vơ tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực trịn phân cực elip 1.3.1 Phân cực thẳng Hầu hết truyền dẫn vơ tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, phân cực đứng gọi phân cực trường điện vng góc với mặt đất phân cực ngang gọi phân cực trường điện song song với mặt đất Giả thiết phương ngang đứng coi trục x y (hình1.2a) Tại điểm khơng gian, vectơ trường sóng biểu thị thành phần thẳng đứng nằm ngang sau: → → E y = a y Eysinωt → → Ex = a x Exsinωt a → a x → y , (1.4) (1.5) vectơ đơn vị phương đứng phương ngang; Ey, Ex giá trị đỉnh (hay biên độ) trường điện phương đứng phương ngang η ten (S = πd2/4) Nếu biểu thị theo đơn vị decibel ta hiệu làm có: S G(dBi) = 20 lg d(m) + 20 lg f(GHz ) +10 lgη + 20, l d i ệ n t í c h t h ự c c ủ a m i ệ n g a n (6 4) Chú ý: Hệ số hướng tính D hệ số khuếch đại G công thức tính hướng xạ cực đại Ví dụ Một anten parabol có đường kính miệng parabol 2m, công suất xạ W, tần số công tác GHz, hiệu suất làm việc 55% Hãy xác định: a, Độ rộng búp sóng b, Hệ số khuếch đại c, Công suất xạ đẳng hướng tương đương Giải a, Áp dụng công thức (6.41) ta có độ rộng búp sóng nửa cơng suất θ = 3dB 21 fd = 21 = 1, 750 6.2 b, Hệ số khuếch đại tính theo công thức (6.44) G(dBi) = 20 lg d(m) + 20 lg f(GHz ) +10 lgη + 20, = 20 lg + 20 lg +10 lg 0, 55 + 20, = 39, 4(dBi) c, Công suất xạ đẳng hướng tương đương EIRP = G (dBi) + P (dBm) = 39, +10 lg = 39, + 37 = 76, (dBm) T T 0, 001 6.7.3 Anten hai gương: anten Cassegrain Anten Cassegrain gồm gương phản xạ parabol tròn xoay gọi gương chính, gương phản xạ hyperbol cịn gọi gương phụ chiếu xạ dùng anten loa Bộ chiếu xạ bố trí cho tâm loa nằm đỉnh parabol Gương phụ có hai tiêu điểm: trùng với tiêu điểm gương trùng với tâm pha chiếu xạ (hình: Mặt cắt dọc theo quang trục anten Cassegrain ) Anten biến đổi sóng cầu từ chiếu xạ thành sóng phẳng đồng pha miệng gương sau hai lần phản xạ liên tiếp gương phụ gương Ưu điểm anten Cassegrain độ rộng búp sóng đồ thị phương hướng nhỏ so với anten parabol đơn, chiếu xạ đặt đỉnh gương nên thuận lợi cho viếc cấp điện Gương phản xạ phụ lắp phía trước gương phản xạ nói chung có kích cỡ nhỏ loa tiếp sóng gây che tối Như vậy, anten Cassegrain có nhược điểm gương phụ chắn phần khơng gian trước gương gây miền tối, làm cho phân bố biên độ trường khơng đồng đều, giảm tính định hướng anten Hệ thống Cassegrain sử dụng rộng rãi cho trạm mặt đất Hình 6.26 Mặt cắt dọc theo quang trục anten Cassegrain tia truyền anten Hình 6.27 Anten Cassegrain 6.7.4 Anten Gregorian Một dạng khác anten hai gương anten Gregorian Anten gồm gương phản xạ parabol trịn xoay gương phản xạ phụ elip tròn xoay Cũng trường hợp trên, gương phản xạ phụ có hai tiêu điểm, trùng với tiêu điểm gương phản xạ điểm trùng với tâm pha loa tiếp sóng Hoạt động hệ thống Gregorian có nhiều điểm giống Cassegrain Anten Gregorian đươc minh hoạ hình 6.28 Hình 6.28 Anten Cassegrain lệch trục 6.8 TỔNG KẾT Anten thiết bị thiếu hệ thống thông tin vô tuyến Tùy vào tính chất hệ thống thơng tin vơ tuyến người ta sử dụng loại anten thích hợp Có nhiều loại anten khác sử dụng Trong chương đề cập đến số loại anten dùng phổ biến Các anten nhiều chấn tử ứng dụng rộng rãi vô tuyến truyền hình Các anten thường đơn giản cấu trúc, chịu áp lực gió đặt cao hoạt động chúng có nhiều ưu điểm thông số điện Các anten xạ mặt sử dụng tần số cao Ưu điểm chúng đạt tính hướng cao Anten loa dạng anten sử dụng phổ biến thơng tin vệ tinh Loa sử dụng anten độc lập hay thường xuyên sử dụng làm tiếp sóng cho anten gương Các anten gương parabol sử dụng rộng rãi hệ thống thông tin chuyển tiếp mặt đất hệ thống thơng tin vệ tinh Tiếp sóng cho anten loa đặt tâm lệch tâm Trường hợp thứ hai cho phép tránh tượng che tối địi hỏi phải có biện pháp để tạo phân bố trường chiếu xạ mặt mở parabol giá đỡ phản xạ phức tạp Các anten phản xạ kép sử dụng thơng tin vệ tinh, cho phép đặt tiếp sóng tâm chảo phản xạ bảo dưỡng quay anten tiện Anten Cassegrain bao gồm hai phản xạ: phản xạ phụ có hình hyperbol trịn xoay phản xạ parabol trịn xoay Anten Gregorian có phản xạ parabol trịn xoay phản xạ phụ elip tròn xoay 6.9 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc anten yagi Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc anten loga - chu kỳ Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc anten loa Điều kiện để loa tối ưu Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc anten gương parabol Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc anten gương kép Cassegrain Một anten parabol đường kính 5m có hiệu suất làm việc 0,65 làm việc tần số 6GHz Tìm diện tích mặt mở hiệu dụng anten (a) 12,76 m2; (b) 13,76m2; (c) 14,76m2; (d) 15,75m2 Số liệu 6, tìm hệ số khuếch đại anten a ) 45,1dBi; (b) 46,1dBi; (c) 47,1dBi; (d) 48,1dBi Số liệu 6, xác định độ rơng búp sóng a ) 0,50; (b) 0,7 0; (c) 1,50; (d) 1,7 Một anten parabol đường kính 3m có hiệu suất làm việc 0,55 làm việc tần số 2GHz Tìm diện tích mặt mở hiệu dụng anten a ) 2,9 m2; (b) 3,5 m2; (c) 3,9 m2; (d) 4,5 m2 10 Số liệu 9, tìm hệ số khuếch đạicủa anten a ) 33,4dBi; (b) 35,4dBi; (c) 37,4dBi; (d) 39,4dBi 11 Số liệu 9, xác định độ rơng búp sóng a ) 2,50; (b) 3,0 0; (c) 3,50; (d) 3,7 12 Một anten gương parabol có hệ số khuếch đại 50 dBi, hiệu suất làm việc 60% Tính góc nửa cơng suất a ) 0,440; (b) 0,540; (c) 0,640; (d) 0,740 13 Một anten có góc nửa cơng suất 20 Xác định hệ số khuếch đại biết hiệu suất làm việc anten 55% a ) 30,2dBi; (b) 35,2dBi; (c) 38,2dBi; (d) 40,2dBi 14 Một anten phát có hệ số khuếch đạilà 40 dBi, anten có cơng suất phát để anten thu gương parabol có đường kính miệng gương 0,9 m; hiệu suất làm việc 0,55 đặt cách anten phát 50 km nhận công suất – 70 dBW Giả thiết sóng truyền khơng gian tự a ) 0,5 mW; (b) 0,5 W; (c) 0,9 mW; (d) 0,9W 15 Anten gương parabol có hệ số khuếch đạilà 40 dBi, hiệu suất làm việc 60%, làm việc tần số 4GHz.Tính đường kính miệng gương a ) 3,08 m; (b) 3,28 m; (c) 3,58 m; (d) 3,78 m 16 Số kiệu 15, tính độ rộng búp sóng θ3dB a ) 1,50; (b) 1,70; (c) 2,50; (d) 2,70 17 Một anten phát có hệ số khuếch đạilà 30 dBi, công suất phát anten 5W Ở cự ly 50 km đặt anten thu gương parabol có đường kính miệng gương 1,5m Tính công suất anten thu nhận a ) 1,13 pW; (b) 1,13µW; (c) 1,13 mW ; (d) 1,13 W 18 Số liệu 17, tính tổn hao truyền sóng không gian tự truyền từ anten phát đến anten thu a ) 60,45dB; (b) 63,45dB; (c) 65,45dB; (d) 66,45dB 19 Một anten gương parabol có hệ số khuếch đại 30 dBi, hiệu suất làm việc 60% Tính góc nửa cơng suất a ) 4,380; (b) 5,380; (c) 6,380; (d) 7,380 20 Một anten có góc nửa công suất 1,20 Xác định hệ số khuếch đại biết hiệu suất làm việc anten 55% a ) 35,7dBi; (b) 40,7dBi; (c) 42,7dBi; (d) 45,7dBi Com HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI Hướng dẫn trả lời CHƯƠNG Câu 7: (a) - Áp dụng công thức (1.14) tính S - Áp dụng cơng thức (1.20) tính PR Câu 8: (b) - Đổi đơn vị G sang số lần - Tính bước sóng cơng tác Áp dụng công thức (1.22) Câu 9: (c) Câu 10: (d) Áp dụng công thức (1.22) (1.23) Câu 11: (b) Áp dụng công thức (1.18a) Câu 12: (a) Áp dụng công thức (1.24) (1.25) công thức(1.26) (1.27), (1.28), (1.29) Câu 13: (a) Câu 14: a, (c) b, (a) Áp dụng công thức (1.9) Câu 15: (d) Áp dụng công thức (1.18a) Câu 16: (b) Áp dụng công thức (1.118a) Câu 17: (c) Áp dụng công thức (1.14) CHƯƠNG Câu 9: (b) Áp dụng công thức (2.9) tìm ∆r Áp dụng cơng thức (2.10) tìm F 225 Câu 10: (c) Áp dụng công thức (2.7) Câu 11: (a) Áp dụng cơng thức (1.26), tính đến có mặt hệ số suy giảm Câu 12: (a) Áp dụng công thức (2.11) Câu 13: (d) Áp dụng công thức (2.12) Câu 14: (c) Áp dụng công thức (2.13) Câu 15: (b) Áp dụng công thức (2.19) Câu 16: (c) Áp dụng công thức (2.19) Câu 17: (b) Áp dụng công thức (2.19) Câu 18: (d) Áp dụng công thức (2.31) CHƯƠNG Câu 7: Câu 8: Câu 9: - Định nghĩa, biểu thức tính trường xạ - Các tham số dipol: hàm tính hướng, đồ thị tính hướng, cơng suất xạ, điện trở xạ, hệ số tính hướng - Định nghĩa, biểu thức tính trường xạ - Các tham số dipol: hàm tính hướng, đồ thị tính hướng, cơng suất xạ, điện trở xạ, hệ số tính hướng - Định nghĩa, biểu thức tính trường xạ - Các tham số dipol: hàm tính hướng, đồ thị tính hướng, hệ số tính hướng Câu 10: (d) Áp dụng công thức (4.8) (4.14a) Câu 11: (a) Áp dụng công thức (4.13) (4.15) Câu 12: (b) - Áp dụng cơng thức (4.15) tính G - Áp dụng cơng thức (4.18a) (4.18b) tính EIRP Câu 13: (d) Áp dụng công thức (4.7) (4.13), (4.15) Câu 14: (b) Áp dụng công thức (4.7) (4.13), (4.15) CHƯƠNG Câu 13: (a) Áp dụng công thức (5.25) Câu 14: (b) Câu 15: (c) Câu 16: (c) CHƯƠNG Câu 6: (a) Áp dụng công thức (4.19) Câu 7: (d) Áp dụng công thức (6.43) (4.15) công thức (6.44) Câu 8: (b) Áp dụng công thức (6.41) Câu 9: (c) Áp dụng công thức (4.19) Câu 10: (a) Áp dụng công thức (6.43) (4.15) công thức (6.44) Câu 11: (c) Áp dụng công thức (6.41) Câu 12: (b) Cách Góc nửa cơng suất tính theo cơng thức (6.42) 2θ = Mặt khác ta có 70λ (độ) d  πd  G= λ  ηa   λ ⇒ d Vậy 2θ =π a G a = 70π G 0,6 = 70π 10 = 0,54 Cách Áp dụng cơng thức (6.41) Câu 13: (c) Tính tương tự câu 12 Câu 14: (d) G T = d B i ⇒ G T = l ầ n P R = - 7 ( V ậ y d B W ⇒ C â u P R : = ( a ) W P 6.2 r ) − d B G = a r thứ c PT = R  =  = 0,9 η vớ if(H (W) z);dm a a G η  GT d2ηA= = λ 10 0,  92.0,5  G 3.10810 a ⇒ π( m.4.1090,6 ) C â u G : ( = b ) (4 Mặt  πd  khác 2  λ ( 4π ( r )2 ng T R P T R= T =A η cô ) πr ) N ê n Từ P Ta R T P R= n i   ⇒ P λ P G T T = l ầ η Câu 17: (b) Câu 18: (d) Câu 19: (b) Câu 20: (c) Áp dụ ng cô ng thứ c (6 41) Com TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Trường điện từ truyền sóng, NXB đại học quốc gia Hà nội [2] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, 2004 [3] Nathan Blaunstein, Radio propagation in cellular network, Artech House, Boston, 2000 231 Com TRUYỀN SÓNG – ANTEN Mã số : 491TSA460 Chịu trách nhiệm thảo TRUNG TÂM ÐÀO TẠO BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ... gian, truyền lan sóng trời (sóng điện ly), truyền lan sóng tự Sóng bề mặt sóng khơng gian gọi sóng đất (cùng truyền lan tầng đối lưu) nhiên chúng có khác rõ rệt 1.5.1 Truyền lan sóng bề mặt Sóng. .. băng sóng vơ tuyến ứng dụng Thứ ba đề cập đến phương pháp truyền lan sóng, có bốn phương pháp truyền lan sóng mơi trường thực là: truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng khơng gian, truyền lan sóng. .. lý băng sóng mà băng sóng có phương thức truyền lan thích hợp để đạt hiệu Do đó, tùy theo mơi trường truyền sóng có bốn phương thức truyền lan sau: truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng khơng