Lý Thuyết Anten Và Truyền Sóng

CÂU HỎI: Trình bày Sự phân cực sóng điện từ Cấu tạo tầng điện ly Tầng điện tồn độ cao khoảng 60 km đến 600 km bị ion hoá mạnh chủ yếu lượng xạ mặt trời, tạo thành lớp khí bao gồm chủ yếu điện tử tự ion Tính chất đặc biệt tầng điện ly điều kiện định phản xạ sóng vơ tuyến điện Lợi dụng phản xạ để sử dụng cho thơng tin vơ tuyến cách phản xạ nhiều lần từ tầng điện ly Phương thức gọi phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly Thế tần số giới hạn, tần số phản xạ, góc xiên lớn truyền sóng tầng điện ly gì? Tính tốn cự ly nhìn thấy trực tiếp truyền sóng giới hạn nhìn thấy trực tiếp dòng điện từ cong khỏi mặt đất Hình1 Cự ly nhìn thấy trực tiếp Khoảng cách tầm nhìn thẳng xác định độ dài đoạn đường thẳng nối anten phát, anten thu tiếp tuyến với mặt đất ,ký hiệu r0 r0 = AC+CB Trong a bán kính trái đất, ht hr độ cao anten phát anten thu so với mặt đất Thay a= 6370 km , biểu thị r0 km, ht , hr mét ta có: Thế hàm tính hướng anten Độ rộng đồ thị phương hướng  Hàm tính hướng hàm số biểu thị phụ thuộc cường độ trường xạ anten theo hướng khác không gian với khoảng cách khơng đổi, kí hiệu f() Dạng tổng qt:  Độ rộng đồ thị hướng tính góc hướng mà hướng cơng suất xạ giảm Hình: Độ rộng đồ thị phương hướng -Góc xạ (2) , P xạ giảm - Góc xạ 2() , P xạ giảm Như độ rộng thể tính chất tập trung lượng xạ theo hướng làm việc Định nghĩa biểu thức hệ số tính hướng - Hệ số hướng tính Hệ số hướng tính anten hướng cho tỷ số mật độ công suất xạ anten hướng mật độ công suất xạ anten chuẩn hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện công suất xạ hai anten Trong đó: - D(θ,φ) hệ số hướng tính anten khảo sát hướng (θ,φ) với khoảng cách r - S(θ,φ) S0 mật độ công suất xạ anten khảo sát hướng (θ,φ), khoảng cách r mật độ công suất xạ anten vô hướng điểm xét Định nghĩa biểu thức hệ số tăng ích (hệ số khuếch đại) - Hệ số khuếch đại anten dùng nhiều thực tế kỹ thuật, đặc trưng cho anten đặc tính xạ (hướng tính) khả làm việc (hiệu suất) anten Hệ số khuếch đại anten cho thấy anten có hướng tính xạ lượng tập trung hướng chọn giảm lượng xạ hướng khác Chính mà cịn được gọi hệ số tăng ích hay độ lợi anten Chấn tử đối xứng , chiều dài hiệu dụng chấn tử đối xứng , công thức * Chấn tử đối xứng: - Là cấu trúc gồm hai vật dẫn hình dạng tùy ý + Kích thước giống nhau, đặt thẳng hàng không gian + Ở nối với nguồn điện caotần - Sử dụng anten hoàn chỉnh, hay cấu tạo nên anten phức tạp * Chiều dài hiệu dụng chấn tử đối xứng - KN: Là chiều dài tương đương chấn tử có dịng điện phân bố đồng dòng điện đầu vào chấn tử thật với diện tích phân bố dịng điện tương đương - Nhận xét: + Chấn tử ngắn, coi: tgx = x → lhd = l (chiều dài nhánh chấn tử thật) + Chấn tử nửa sóng: tg(kl/2) = → lhd = λ/π Sự phân cực sóng điện từ • KN: Trường phân cực trường điện từ với vecto E H xác định hướng thời điểm (biến đổi có tính quy luật) Ngược lại trường không phân cực (biến đổi ngẫu nhiên khơng gian) • Mặt phẳng phân cực: Là mặt phẳng chứa vec tơ E phương truyền lan sóng (vecto Z) • Phân loại - Phân cực đường thẳng: Mặt phẳng phân cực cố định sóng truyền lan + Phân cực đứng: Vecto E vng góc với mặt phẳng nằm ngang + Phân cực ngang: Vecto E song song với mặt phẳng nằm ngang - Phân cực quay: Mặt phẳng phân cực quay xung quanh trục phương truyền lan + Phân vực tròn: Khi vecto E quay, biên độ không thay đổi (vẽ lên đường tròn) + Phân cực elip: Khi vecto E quay, biên độ thay đổi liên tục vẽ lên đường elip - Quay phải: Quay thuận chiều kim đồng hồ - Quay trái: Quay ngược chiều kim đồng hồ Các dạng phân cực sóng: 10 Phương thức lan truyền sóng vơ tuyến mơi trường thực * Có bốn phương thức lan truyền sóng khơng gian thực: - Lan truyền sóng bề mặt: + Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc trực tiếp với bề mặt trái đất Bề mặt đất môi trường bán dẫn điện, sóng điện từ xạ từ anten đặt thẳng đứng mặt đất, đường sức điện trường khép kín nhờ dịng dẫn bề mặt đất Nếu gặp vật chắn đường truyền lan, sóng nhiễu xạ qua vật chắn truyền lan phía sau vật chắn + Như truyền lan sóng bề mặt dùng để truyền tất băng sóng Tuy nhiên, sóng bề mặt bị suy giảm nhiều hấp thụ trái đất Sự suy giảm phụ thuộc vào tần số, tần số tăng suy giảm lớn Hơn khả nhiễu xạ qua vất chắn đường truyền phụ thuộc vào độ cao tương đối vật chắn so với bước sóng + Với loại đất có độ dẫn điện lớn mặt biển, đất ẩm sóng bị suy hao đất, làm cho cường độ trường điểm thu tăng lên Các sóng vơ tuyến điện có bước sóng lớn khả nhiễu xạ mạnh bị mặt đất hấp thụ nhỏ Bởi sóng bề mặt sử dụng để truyền lan băng sóng dài sóng trung hệ thống phát điều biên, hay sử dụng cho thông tin biển - lan truyền sóng khơng gian + Lớp khí bao quanh đất có độ cao từ đến 11km (với tầng đối lưu tiêu chuẩn), gọi tầng đối lưu Các tượng thời tiết sương mù mưa, bão, tuyết xẩy tầng đối lưu ảnh hưởng lớn đến trình truyền lan sóng vơ tuyến điện + Nếu hai anten thu phát đặt cao (nhiều lần so với bước sóng cơng tác) mặt đất sóng truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, phản xạ từ mặt đất, lợi dụng không đồng vùng tầng đối lưu để tán xạ sóng vơ tuyến dùng cho thơng tin gọi thông tin tán xạ tầng đối lưu Các phương thức thông tin gọi truyền lan sóng khơng gian hay sóng tầng đối lưu + Phương thức truyền lan sóng khơng gian thường sử dụng cho thơng tin băng sóng cực ngắn (VHF, UHF, SHF), truyền hình, hệ thống vi ba hệ thống chuyển tiếp mặt đất, hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh - Lan truyền sóng trời (sóng điện ly) + Lớp khí độ cao khoảng 60 km đến 600 km bị ion hoá mạnh chủ yếu lượng xạ mặt trời, tạo thành lớp khí bao gồm chủ yếu điện tử tự ion Lớp khí gọi tầng điện ly Tính chất đặc biệt tầng điện ly điều kiện định phản xạ sóng vơ tuyến điện Lợi dụng phản xạ để sử dụng cho thông tin vô tuyến cách phản xạ nhiều lần từ tầng điện ly Phương thức gọi phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly - Lan truyền sóng tự + Trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng khơng hấp thụ ví dụ mơi trường chân khơng, sóng vơ tuyến điện truyền lan từ điểm phát đến điểm thu theo đường thẳng, không ảnh hưởng đến q trình truyền sóng + Trong thực tế môi trường lý tưởng tồn ngồi khoảng khơng vũ trụ Với lớp khí đất điều kiện định, tính tốn coi mơi trường khơng gian tự 11 Cường độ điện trường điểm thu truyền sóng giới hạn nhìn thấy trực tiếp (Chú ý: Câu 37 đầy đủ hơn) Cường độ điện trường điểm thu tia tới trực tiếp truyền không gian tự là: Chọn hệ toạ độ cho góc pha đầu tia tới trực tiếp Cường độ điện trường điểm thu tia phản xạ : Trong đó: - r1 : đoạn đường tia tới trực tiếp, AB hình - r2 : đoạn đường tia phản xạ, AC + BC hình - Δr: hiệu số đường tia phản xạ tia trực tiếp Δr = r1-r2 - k : hệ số sóng 2π/λ - R : Hệ số phản xạ phức từ mặt đất: , R mơ đun, θ góc pha phụ thuộc vào loại đất điểm phản xạ phân cực sóng Các giá trị thường tính sẵn bảng đồ thị - GT1 GT2 hệ số khuếch đại anten phát theo hướng tia trực tiếp tia phản xạ 12 Anten đặt ĐK lí tưởng 13 Xây dựng cơng thức mật độ công suất xạ cường độ xạ truyền sóng mơi trường ko gian tự Giả thiết có nguồn xạ vơ hướng (đẳng hướng) có công suất phát PT(W) đặt điểm A môi trường không gian tự môi trường đồng đẳng hướng khơng hấp thụ, có hệ số điện môi tương đối ε' = Xét trường điểm M cách A khoảng r (m) r1 m2 A (PW) Hình 1.9: Bức xạ nguồn xạ vơ hướng khơng gian tự Vì nguồn xạ vô hướng, môi trường đồng đẳng hướng nên lượng sóng điện từ nguồn xạ tỏa khơng gian thành hình cầu Như mật độ công suất (mật độ thông lượng lượng) điểm M cách nguồn khoảng r xác định công thức sau: Theo lý thuyết trường điện từ ta có: (1.11) Trong trở kháng sóng khơng gian tự (Ω) đó: Eh (V/m), Hh (A/m) giá trị hiệu dụng cường độ điện trường từ trường ; 120π Thay công thức (1.11) vào (1.10) (1.12) So sánh công thức (1.12) (1.9) ta có : Nhận xét: cường độ điện trường sóng vơ tuyến điện truyền lan môi trường đồng đẳng hướng không hấp thụ tỷ lệ thuận với hai công suất xạ, tỷ lệ nghịch với khoảng cách Khoảng cách tăng cường độ trường giảm lượng sóng toả rộng khơng gian, cịn gọi khuyếch tán tất yếu sóng Để hạn chế khuếch tán người ta sử dụng xạ có lượng tập trung hướng cần thông tin để làm tăng cường độ trường lên Đó anten có hướng, với hệ số hướng tính D hệ số khuếch đại G Nếu nguồn xạ có hướng, lúc lượng sóng vơ tuyến điện tập trung hướng điểm M biểu thị hệ số hướng tính hay hệ số khuếch đại hình 1.10 Trong trường hợp mật độ công suất xác định theo công thức: cường độ điện trường tính theo cơng thức: Nếu sóng điện từ nguồn xạ biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa theo quy luật sinωt, cosωt, viết dạng phức số eiωt giá trị tức thời cường độ điện trường biểu thị công thức Trong đó: ω tần số góc sóng k = ω/c =2π/λ hệ số sóng (hệ số pha) Nếu viết dạng phức cơng thức (1.16) có dạng: Nếu biểu thị cự ly r (km), công suất phát P T(kW), ta có giá trị hiệu dụng cường độ trường: Biên độ trường giá trị tức thời cường độ trường 14 Thế miền Fresnel, xác định bán kính Fresnel thứ vùng ko gian tham chiếu q trình truyền sóng điểm Nguyên lý Huyghen cho phép xác định phần khơng gian thực tham gia vào q trình truyền lan sóng Giả sử có nguồn xạ đạt điểm A máy thu đặt điểm B Lấy A làm tâm, ta vẽ hình cầu bán kính r1 Hình cầu số mặt sóng Trên hình 1.13 ký hiệu r2 khoảng cách từ B đến mặt cầu bán kính r1 Từ B vẽ họ đường thẳng cắt mặt cầu điểm cách B khoảng r2 +λ/2 Họ đường thẳng tạo thành hình chóp nón cắt mặt cầu N1 N ’ Bằng ... Các dạng phân cực sóng: 10 Phương thức lan truyền sóng vơ tuyến mơi trường thực * Có bốn phương thức lan truyền sóng khơng gian thực: - Lan truyền sóng bề mặt: + Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc... hưởng lớn đến q trình truyền lan sóng vơ tuyến điện + Nếu hai anten thu phát đặt cao (nhiều lần so với bước sóng cơng tác) mặt đất sóng truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, phản xạ từ... Thay giá trị vào (*) ta có: R = (m) Trong thực tế chiết suất lớp khí n ≈ 1, thơng tin vi ba có cự ly truyền sóng lớn nhiều lần chiều cao anten nên tia sóng truyền từ anten phát đến anten thu gần