Lý thuyết angten

Qua biểu thức của hệ số hấp thu 1.10ï ta thấy rằng khi điệndẫn càng tăng và bước sóng càng ngắn thì hấp thụ càng nhiều .Truyền sóng qua môi trường bán dẫn điện mặt đất, mặtbiển để giảm b

PHẦN 1

LÝ THUYẾT ANTEN

CHƯƠNG I : KHÁI NIỆM TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

-oOo -I Đặc điểm sóng điện từ.

Toàn bộ lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở của sóngđiện từ Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong khônggian thống nhất tạo thành trường điện từ

Trường điện từ là một dạng vật chất cơ bản, chuyểnđộng với vận tốc c trong mỗi hệ quy chiếu quán tính trong chânkhông; nó thể hiện sự tồn tại và vận động qua những tương với

một dạng vật chất khác là những hạt hoặc những môi trường chấtmang điện.

Trường điện từ có mang năng lượng và nhiệt độ:

E B H )

2

1

Trường điện từ đặc trưng bởi các đại lượng sau :

E: vector cường độ điện trường (mV)

D: Vector cảm ứng điện (m 2

C)

B: Vector cảm ứng từ (Wbm2)

H: Vector cường độ từ trường (mA)

Trường điện từ được biểu diễn qua hệ thống phương trìnhMaxwell

rot E= -∂∂tB (1.1) rot H J Dt

∂

∂ +

ρ: phân bố điện tích khối (mC3)

γ : độ dẫn điện của môi trường dẫn ( 1m = ms

:

ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (mA)

Đối với môi trường chân không )

m

F ( 36

10 9

π

= ε

r = 10 ÷ 10

ε : một số muối senhet

:

µ hệ số từ thẩm của môi trường ( mH)

Đối với môi trường chân không )

m

H ( 10

4 −7

ο = π µ

= µ

1

r =

µ : đối với môi trường thông thường

Nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và từ trường

Ý nghĩa hệ phương trình Maxwell.

- Phương trình Maxwell (1.1)và (1.2) nêu rõ từ trường và điệntrường biến thiên luôn gắn bó với nhau và luôn có tính chất xoáy

- Phương trình Maxwell (1.3)và (1.4)mô tả dạng hình học của haimặt thể hiện điện trường và từ trường

II Sóng điện từ :

Phương trình sóng điện từ có dạng

E= Eocos( t - V x )

Tương tự : B= Bocos( t - )

V x

Eo, Bo, phụ thuộc điều kiện đầu

Hàm E( x,t ) và B( x,t ) là các hàm sóng, như vậy điện trường vàtừ trường lan truyền trong không gian dưới dạng sóng

Vậy sóng điện từ là trường điện từ biến thiên truyền đi trongkhông gian Sự lan truyền của sóng điện từ thể hiện qua sự lantruyền năng lượng điện từ, các cường độ trường (sóng E, sóngH )và các thế (sóng A, sóng ϕ)

Theo dạng các mặt phẳng đồng pha của sóng điện từ mà

ta có sóng điện từ phẳng, sóng trụ hoặc sóng cầu Sóng điện từphẳng là sóng điện từ có mặt đồng pha là mặt phẳng, phươngtruyền của sóng phẳng ở mọi nơi đều vuông góc với một mặt phẳngxác định

Sóng điện từ được gọi là đơn sắc hay đều hòa nếu cácvector cường độ điện trường, từ trường biến đổi hình sin theo thờigian với một tần số wxác định

- Sóng phẳng gọi là sóng phẳng đồng nhất nếu vector E,H củasóng phụ thuộc chỉ một tọa độ không gian

- Sóng trụ tròn là dạng sóng mà trường và năng lượng lan truyềntheo chiều bán kính r tỏa từ một trục ra không gian xung quanhhoặc hướng vào trục

Tính chất của sóng điện từ tồn tại trong môi trường chất vàtrong môi trường chân không

a Sóng điện từ có chức năng:

- Tạo chùm tia công suất theo một hướng định trước

- Lái chùm tia để một khu vực nào đó có thể được bao phủ sóng

- Cho phép đo đạc thông tin về góc để có thể xác định hướng

b Sóng điện từ là sóng không gian Tại mọi điểm trong không

gian, phương E, B đều vuông góc với phương truyền sóng Ta nói

sóng điện từ phẳng thuộc loại sóng điện từ ngang TEM

c E , H luôn cùng pha và có trị số luôn tiû lệ với nhau

d Biên độ điện trưồng và từ trường của sóng giữ không đổi trong

quá trình lan truyền

e Vận tốc dịch chuyển của các mặt đẳng pha được gọi là vận tốc

pha v p(hay là vận tốc truyền năng lượng của trường (cả điện và từkèm theo nhau)

vp = ωβ (1.8)

trong đó β gọi là hệ số pha (rad/m)

f Năng lượng và năng thông

- Năng lượng sóng điện từ là năng lượng của trường điện từ.Năng lượng này tồn tại trong vùng không gian có sóng điệntừ

- Năng thông là năng lượng truyền đi một đơn vị diện tích trongmột đơn vị thời gian

Định nghĩa :Vectơ Poynting.

Là vector mật độ dòng công suất điện từ, vector đó bằng côngsuất điện từ chảy qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với dòngchảy δ = ExH

III Sóng điện từ trong môi trường bán dẫn điện đồng chất:

Ta có điện dẫn suất của môi trường γ ≠ 0 khi đó hệ thốngcác phương trình Maxwell là:

)

m

F ( ) i 1

γ

− ε

= ε

Từ sự tương ứng trên sau khi khảo sát người ta rút ra kết luận:

1 Sóng thộc loại sóng ngang

2 Vectơ cường độ điện trường và từ trường vuông góc với nhau và

cả hai đều vuông góc với phương truyền sóng

3 Sóng lan truyền bị môi trường hấp thụ làm suy giảm biên độ.

Mức độ suy giảm theo hàm mủ đặc trưng bởi thừa số với σ =

(1.10) là hệ số hấp thụ

4 Điện trường và từ trường truyền đi với vận tốc giống nhau v= c/n

120

n2 2 Em (mA)

Qua biểu thức của hệ số hấp thu (1.10)ï ta thấy rằng khi điệndẫn càng tăng và bước sóng càng ngắn thì hấp thụ càng nhiều

Truyền sóng qua môi trường bán dẫn điện (mặt đất, mặtbiển) để giảm bớt tổn hao nên dùng sóng có bước sóng lớn

IV Sóng vô tuyến:

1 Đặc điểm của sóng vô tuyến:

Sóng vô tuyến có chung đặc tính với các dạng chuyển độngkhác Có thể nói một cách gần đúng, chuyển động sóng là bao gồmsự kế tiếp liên tục những đỉnh sóng và đáy sóng với những khoảng

cách bằng nhau và chuyển động theo một tốc độ cố định Ví dụ ta

nhìn một mảnh gỗ nổi trên mặt nước bị nâng lên và hạ xuống khisóng đi qua, nhưng nếu không có gió và dòng nước thì nó sẽ khôngdịch chuyển về bất cứ hướng nào Điều đó chỉ ra rằng sóng được tạo

ra đầu tiên bởi một sự biến động nào đó ở xa, tịnh tiến qua môitrường (trong trường hợp này là biển) với một tốc độ cố định nhưngbản thân môi trường thì không dịch chuyển Khoảng cách giữa hai

sóng liên tục gọi là bước sóng (kí hiệu λ) Một dao động hoàn chỉnh

từ một đỉnh sóng qua đáy sóng đến đỉnh sóng kế tiếp gọi là chu kì.

Số chu kì sóng đi qua một điểm cố định trong một khoảng thời gian

cho sẵn gọi là tần số (kí hiệu f), có thể giải thích tần số bằng số

chu kì trên giây gọi là Hez (Hz) Rõ ràng là số chu kì trong một

giây phụ thuộc vào bước sóng và tốc độ mà sóng truyền lan (tốc độ

kí hiệu là c) Sóng có bước sóng 2m chuyển động với tốc độ 10m

trên giây phải dao động với tần số là 5 chu kì trên giây.Mối quanhệ giữa các yếu tố như sau:

Tốc độ bằng tần số x bước sóng

Hoặc C = f x λ (1.11)

Bằng cách suy luận từ sóng biển có thể chứng minh được sự thật

xa hơn Một hòn đá ném xuống hồ cho thấy sóng sẽ truyền lan ravới tốc độ cố định ở mọi hướng nếu như nó không bị cản trở

Sóng vô tuyến có đầy đủ các đặc tính vừa mô tả khác nhau vềbản chất ở chổ sóng vô tuyến là sóng điện từ nó tạo nên bởi trườngđiện và trường từ, mà không phải là chấn động cơ học Sóng điệntừ có đặc tính với sóng ánh sáng, mặc dù bước sóng của chúng dàihơn yếu tố này ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của chúng Khi nóiđến chúng người ta thường dùng khái niệm điện hơn khái niệm từ,

cường độ của chúng đựơc đo bằng vol/m, công suất đo bằng oat/m 2.

Sự tồn tại của năng lượng trong sóng điện từ được chứng minh bởimột sự thực là nó cảm ứng dòng điện trong vật chất mà nó tiếpxúc Sóng vô tuyến có trục điện và trục từ vuông góc nhau Sự địnhhướng các trục này trong không gian gọi là phân cực và chúng đựơcbiểu diễn theo hướng của trục điện Bước sóng của sóng vô tuyếnhiện nay thường nằm trong khoảng 20.000m đến 4mm Tốc độ củachúng trong không gian tự do là cố định khoảng 300 triệu mét hoặc

161800 hải lý trên giây Giá trị này được sử dụng rộng rãi khi xétsự truyền lan của sóng trong khí quyển Vì tốc độ là cố định, khi

tần số tăng thì bước sóng giảm Ví dụ dưới đây chỉ rõ công thức

đưa ra ở trên được sử dụng như thế nào để đổi bước sóng ra tần số:Hãy tìm tần số của một đài phát sóng vô tuyến phát trên bướcsóng 1500m

f = cλ, hoặc tần số = 200 000 Hz

500 1

000 000

Tần số sóng vô tuyến thường được đo bằng các bội số của Hznhư: 1 kilôhec (Khz) = 103Hz, 1mêgahec (Mhz) = 106 Hz, 1gigahec(Ghz)=109 Hz

Đối với một khoảng cách thời gian rất ngắn, thời gian thườngđược tính bằng micrô giây( tức một phần triệu của giây) Sóng vô

tuyến có bước sóng ngắn như vậy gọi là sóng siêu ngắn (viba ).

Từ những so sánh đơn giản ở trên ta hiểu được bản chấtchung của sóng vô tuyến Thuộc tính của chúng phụ thuộc rất nhiềuvào phương pháp bức xạ chúng vào không gian Nhưng điều cần nói

ở đây là sóng vô tuyến có thể được tập trung lại thành chùm tiatheo một hướng nhất định và có thể bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ

hay nhiễu xạ giống như sóng ánh sáng tùy thuộc vào bản chất môitrường mà chúng đi qua và những mục tiêu mà chúng tiếp xúc

Vì vậy để có một bộ phản xạ có kích thước thích hợp, để nhận đượcmột chùm tia hẹp phải sử dụng sóng có bước sóng rất ngắn Vớibước sóng 3cm bộ phản xạ rộng 5 fút thì sẽ cho một chùm tia rộngkhoảng 1.5 độ với bộ phản xạ rộng 10 fút sẽ cho chùm tia rộng0.75 độ

Độ chính xác của việc do hướng chỉ cần thiết trên mặt phẳngngang tức là phương vị Chúng ta dễ nhận thấy rằng, ở bất kỳphương vị nào chùm tia càng rộng thì cường độ của nó càng yếu

Bộ phản xạ phát năng lượng đi theo một chùm tia hẹp vớigóc độ nhất định, năng lượng ấy được phát từ tiêu điểm mặt phảnxạ thì bộ phản xạ cũng tập trung tất cả năng lượng từ nguồn bênngoài đi đến nó rồi phản xạ về cùng một tiêu điểm ấy theo cùnggóc độ như lúc nó phát đi Điều đó nói lên rằng anten có tính địnhhướng cho cả thu và phát Nó không những có lợi cho độ chính xáccủa việc do hướng mà còn làm tăng cường độ của sóng thu được

Sự suy giảm cường độ tín hiệu theo khoảng cách: cường độ của

tín hiệu thu được ở một điểm sẽ biến đổi khi thay đổi khoảng cáchcủa điểm đó đến máy phát như sau:

+ Cường độ trường( đo bằng vol/m ) tỉ lệ nghịch với khoảng cách

+ Công suất( đo bằng oat/m 2 ) tỉ lệ nghịch với bình phương khoảngcách ï

V Công suất truyền sóng lý tưởng

Giả sử nguồn bức xạ là đẳng hướng và được đặt trong mộtkhông gian tự do Nghĩa là trong một môi trường đồng nhất, đồnghướng không hấp thụ và có hệ số điện thẩm tương đối bằng một

Ta tính mật độ thông lượng năng lượng của trường bức xạ

ở một khoảng cách kể từ nguồn và giả thuyết là năng lượng bức xạphân bố đồng đều trên mặt cầu bán kính r

Biểu thị công suất bức xạ bằng W Đơn vị chiều dài là m ,

ta có biểu thức thông lượng năng lượng qua một đơn vị điện tíchcủa mặt cầu bán kính r trong một đơn vị thời gian là:

S = ( W / m )

r 4

2 2

phương trình D, hệ số D là một hệ số đặc trưng cho mật độ tập

trung năng lượng bức xạ của anten theo một hướng nào đó Có thểhiểu một cách đơn giản như sau: một anten có hướng công suất bứcxạ P và có hệ số tính phương hướng ở một hướng nào đó là D sẽtạo ra điểm thu ở hướng đó một cường độ trường có trị sẽ giốngnhư một anten về hướng có công suất PD tạo ra Như vậy việc sử

dụng anten có hướng sẽ tương đương với việc tăng công suất bức xạlên so với anten vô hướng khi đó:

Eh =

r

PD

90

Trị số biên độ của cường độ trường Em = 60r pD (V/m)

Trị số tức thời của cường độ trường bằng :

E = 60r pD cos ( t-c n) = 60r pD cos( wt-Kr )

w : tần số góc của sóng

K=w c = 2wπ là hệ số sóng

λ: bước sóng không gian tự do

Trường hợp nguồn bức xạ không phải đặt trong khônggian tự do mà đặt trên mặt đất dẫn điện lý tưởng, khi ấy nănglượng sẽ phân bố theo một nữa hình cầu, trị số D sẽ tăng gấp đôivà cường độ trường sẽ tăng lên 2 lần

VI Phân loại sóng theo vô tuyến điện theo băng sóng và theo phương thức lan truyền

Các sóng vô tuyến điện chia thành 5 băng sóng

1 Sóng cực dài: sóng có bước sóng lớn hơn 10.000 m (tần số thấp

hớn 30 Khz )

2 Sóng dài: là sóng có bước sóng từ 10.000 m đến 1.000 m.

3 Sóng trung: là sóng có bước sóng từ 1.000 m đến 100m

( tần số 300Khz đến 3 Mhz )

4 Sóng cực ngắn : là sóng có bước sóng 10m đến 1mm (tần số

30 Mhz đến 300.000 Mhz )

 Những phương thức lan truyền của sóng vô tuyến điện

a Những sóng vô tuyến điện lan truyền ở mặt đất sẽ lan truyền

theo đường thẳng với vận tốc không đổi Do sự có mặt của mặt đấtlà dẫn điện, một mặt gây phản xạ sóng, làm biến dạng cấu tạo củasóng và gây ra hấp thụ sóng trong đất, mặt khác bị cuốn đi theo độcong mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ Những sóng này gọi là sóngđất Vậy sự lan truyền sóng đất có thể bao gồm tất cả các băngsóng đã nêu ở trên

b Tầng đối lưu là một lớp khí quyển nằm trực tiếp sát mặt đất

lên đến độ cao khoảng 10 – 15 km Đó là một môi trường khôngđồng nhất

c Những sóng vô tuyến điện được truyền đi do sự khuếch tán

trong tầng đối lưu gọi là sóng tầng đối lưu Những sóng với bướcsóng ngắn hơn 10 m mới có thể truyền đi theo dạng này Tầngđiện ly là một miền của khí quyển cao nằm từ độ cao 60 km đến

500 km trên mặt đất Tầng điện ly là môi trường bán dẫn điện vàsóng có thể phản xạ, từ đó ở những sóng dài hơn 10 m Ở tầngđiện ly là môi trường không đồng nhất nên nó có khả năng khuếchtán sóng truyền đến những sóng ngắn hơn 10m

Như vậy, những sóng vô tuyến điện được truyền đi do sự phảnxạ (một lần hoặc nhiều lần ), hoặc do khuếch tán từ tầng điện lygọi là sóng điện ly

VII Truyền sóng của những dải sóng khác nhau.

1 Đặc điểm lan truyền của sóng dài và sóng cực dài.

Từ việc truyền sóng ở trên mặt đất tầng đối lưu, tầngđiện ly ở phần trước ta sẽ rút ra kết luận cho việc truyền sóng củatừng dải trong phương thức nào cho thích hợp

Đối với sóng dài và sóng cực dài, mặt đất có tính dẫn điệntốt Do đó khi truyền sóng theo phương thức sóng đất nó sẽ bị mặtđất hấp thụ ít hơn đối với sóng trung và sóng ngắn Mặt khác, dobước sóng của dải sóng này khá lớn có thể so sánh với độ cong mặtđất nên sóng mặt đất có thể lan truyền theo phuơng thức nhiễuxạ Uốn cong theo mặt đất và đạt cự ly khá lớn Do những lý do

trên sóng dài và sóng cực dài có thể truyền lan theo phương thứcsóng đất để đạt đến những cự ly khoảng 3000 km.

Với những cự ly lớn hơn 3000 km phải thực hiện sự truyềnsóng bằng tầng điện ly vì bước sóng lớn nó bị tầng điện ly hấp thụmạnh nên người ta ít sử dụng

Khi lan truyền sóng dài và cực dài, người ta quan sátcòn thấy hiện tượng đối cực Biết rằng, càng đi xa đài phát thìcường độ trường càng giảm nhỏ Nhưng nếu tăng cự ly lên nữa thìsẽ đến một miền mà ở đó cường độ trường lại tăng lên Miền nàynằm đối diện với đài phát qua tâm trái đất và gọi là miền đối cực Sóng dài và sóng cực dài không bị hiện tượng fading so vớicác sóng khác nó truyền đi không được xa nhưng có ưu điểm là ổnđịnh

Ở các nước ôn đới người ta sử dụng các loại sóng này dùngcho đài phát thanh địa phương và thông tin cự ly gần không quá

1000 km

Ở các nước nhiệt đới như Việt Nam sóng này bị ảnh hưởng nhiều của điện trời (sầm sét, giông bảo, sự phóng điện của khí quyển ) nên không được sử dụng

2 Đặc điểm truyền của sóng trung :

Sóng trung được ứng dụng chủ yếu trong truyền thanh, nó thểlan truyền bằng sóng đất như sóng điện ly

Cự ly truyền lan của sóng trung bằng phương thức sóngđất không vượt quá 500km đến 700 km , với cự ly lớn hơn phảitruyền lan bằng tầng điện ly

Sự biến đổi điều kiện truyền sóng về ban đêm và ban ngày.

- Ban đêm sóng trung truyền lan bằng cách phản xạ trên lớp E (lớp

E mật độ điện tử tương đối lớn ) nên về ban đêm có thể thực hiệnbằng cả sóng đất lẫn sóng trời

- Ban ngày do sự xuất hiện của lớp D (có mật độ điện tích nhỏ )nên

sóng này sẽ cho truyền qua và chịu sự hấp thụ rất mạnh Ban ngàychỉ có hiệu quả đối với sóng đất

Sự nhiễu loạn của điện ly không có ảnh hưởng đến sóng trung vìsóng phản xạ ở lớp E là lớp rất ít bị phá hoại trong thời gian bảođiện ly

 Hiện tượng fading của sóng trung :

Ở cự ly ngắn hiện tượng fading là hiện tượng giao thoa gọi làsóng đất và sóng trời

Ở cự ly xa hiện tượng fading là do giao thoa giữa sóng trời vàsóng trời tại điểm thu Do mặt tầng điện ly thay đổi theo chiều cao,phản xạ của sóng cũng biến đổi dẩn đến sự thay đổi quãng đường

đi của sóng

3 Đặc điểm truyền lan của sóng ngắn :

Sóng ngắn có thể truyền lan bằng sóng đất và sóng điện ly Khi tần số tăng sự hấp thụ của mặt đất đối với sóng mặtđất sẽ tăng Vì vậy, đối với sóng ngắn nếu dùng đài phát có côngsuất trung bình chỉ có thể truyền lan được bằng sóng đất trong cự

ly không vượt quá vài chục km

Đối với cự ly lớn phải truyền sóng bằng sóng điện ly Khi ấy có thể dùng máy phát có công suất trung bình cũng có thể thông tin được và cự ly rất xa tới hàng nghìn km

CHƯƠNG II : SƠ LƯỢC VỀ ANTEN VÀ THÔNG TIN VỆ TINH.

-oOo -A Sơ lược về Anten.

Trong một hệ thống vô tuyến, một sóng điện từ lan truyềntừ máy phát đến máy thu qua không gian Việc truyền năng lượngđiện từ trong không gian có thể được thực hiện theo hai cách:

- Dùng các hệ truyền dẫn nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ nhưđường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kimloại hoặc điện môi Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thốngnày thuộc loại sóng điện từ ràng buộc

- Bức xạ sóng ra không gian Sóng sẽ được truyền đi dưới dạngsóng điện từ tự do

Do đó thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ

không gian bên ngoài được gọi là Anten.

Anten là một thiết bị bức xạ và thu năng lượng

Chúng ta đã thấy anten là bộ phận quan trọng không thểthiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, bởi vì đã là hệthống vô tuyến nghĩa là hệ thống trong đó có sử dụng sóng điện từthì không thể không dùng đến thiết bị để bức xạ hoặc thu sóngđiện từ Anten quyết định rất nhiều các tính chất khác nhau củatuyến thông tin liên lạc

Anten có nhiều dạng và nhiều cấu trúc khác nhau có loạirất đơn giản nhưng có loại rất phức tạp Ta có hai loại anten là

anten vô hướng và anten có hướng.

a Anten vô hướng: là anten có bức xạ công suất một cách

đồng nhất trong một góc khối 4π

b Anten có hướng: là anten mà nó tập trung công suất theo một hướng nhất định vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số hướng tính D(

θ,φ ) và độ lợiG( θ,φ )

D( θ,φ) mô tả kiểu bức xạ, G( θ,φ ) cho ta biết sự tổn hao( nhiệt haycông suất bức xạ vào các búp phụ )

Tuy nhiên phần tử phát xạ chính và thu chính chính là phầntử đối xứng và không đối xứng

Thông thường giửa anten phát và anten thu không nối trựctiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượngđiện từ, gọi là fiđe Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từràng buộc trong fiđe thành sóng điện từ do bức xạ ra không gian.Anten thu thì có nhiệm vụ ngược với anten phát là tiếp nhận sóngđiện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thànhsóng điện từ ràng buộc Sóng này được truyền theo các fiđe

Yêu cầu của thiết bị anten – fiđe là phải thực hiện việctruyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gâyméo dạng tín hiệu

- Chấn tử đối xứng là một trong những nguồn bức xạ được sửdụng khá phổ biến trong kỹ thuật anten Nó gồm hai dây dài bằngnhau(hình trụ, chóp, elipsôit) giữa dây fiđe như hình (2.1) Thườngdùng nhất là chấn tử đối xứng có chiều dài bằng nửa bước sóng vàđược gọi là chấn tử nữa bước sóng

- Chấn tử không đối xứng có một đầu dây nối và một đầu của máyphát(hay máy thu )còn đầu còn lại của máy phát (hay máy thu ) thìđược nối đất hình (2.2)

Hình 2-1.Chấn tử đối xứng Hình 2-2.chấn tử không đối xứng

Tùy theo ứng dụng của anten trong các hệ thống thông tin vôtuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vôtuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa , rada mà người tadùng các kết cấu tương tự của anten

- Đối với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cầnbức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất ), để cho cácmáy thu đặc ở các hướng bất kỳ đều có thể thu được tín hiệu củađài phát Song anten cần bức xạ định hướng trong mặt phẳngđứng, với hướng cực đại song song mặt đất để các đài thu trên mặt

đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượngbức xạ theo các hướng không cần thiết.

- Trong thông tin mặt đất hay vũ trụ thông tin chuyển tiếp, rada,vô tuyến điều khiển từ xa thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tínhcao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc hẹp trongkhông gian

Như vậy nhiệm vụ của anten không phải chỉ đơn giản là biến đổinăng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do mà phải bứcxạ sóng ấy theo những hướng nhất định, với các yêu cầu kỹ thuậtcho trước

I Nguồn bức xạ nguyên tố của anten.

Khi khảo sát của anten phức tạp, ta phải khảo sát cácnguồn bức xạ nguyên tố để làm cơ sở Nguồn bức xạ nguyên tố gồm

có: lưỡng cực điện và lưỡng cực từ.

1.Lưỡng cực điện.

Lưỡng cực điện là một đoạn dây dẫn mãnh và chiều dài l rấtnhỏ so với bước sóng (l<< λ ) Trên lưỡng cực điện dòng điện xoaychiều tại mọi nơi đều cùng biên độ và pha

Ở khoảng cách xa r>>l cường độ điện trường xác định bằngbiểu thức :

E(

r

e KIlsisn

Theo nguyên lý đổi tần, thường bức xạ của lưỡng cực là :

Em( j l r e

r jK

II Các thông số của anten phát.

1 Điện trở bức xạ của anten Rbx (Ω ).

Rbx là 1 tham số biểu thị quan hệ giữa công suất bức xạ (W) với

dòng điện (A) chạy qua một điểm nào đó của anten

Rbx= I ì

Pbx

(2.3)

Người ta thường xác định Rbx ở đoạn anten mà dòng điện có biên

độ cực đại hoặc ở các đầu vào

Rbx phụ thuộc vào kích thước của anten so với bước

sóng, hình dạng anten và các yếu tố khác Điện trở bức xạ là một

hàm theo (l;λ )đối với chấn tử đối xứng, nó chỉ phụ thuộc vào độdài chấn tử chứ không phụ thuộc đường kính của chấn tử.

Bảng (1) Điện trở bức xạ của chấn tử đối xứng có đội dài khácnhau:

0.6500.7000.7500.8000.8500.9000.9501.00

144168187200209212210199

1.0501.1001.1501.2001.2501.3001.3501.400

185166145121105938785

2 Tổng trở của anten :Ra

Tổng trở của anten gồm điện trở bức xạ (Rbx ) và điện trở tổn thao(Rth) Rth biểu thị năng lượng tổn hao vào việc nung nóng dây dẫnvà vật cách điện

3.Hiệu suất của anten.

Hiệu suất của anten là quan hệ giữa công suất bức xạ (Pbx)với toànbộ công suất đưa vào anten Toàn bộ công suất đưa vào antenđược bằng công cộng với công suất tổn hao (Pth )

Rbx

Rth Rth

Rbx

Rbx Pth

Pbx

Pbx

A

A A

+

= +

= +

=

1

1 )

4 Đồ thị phương hướng của anten.

Biểu thị sự phụ thuộc biên độ theo phương hướng bằng phươngpháp toán học hoặc đồ thị

Khi biểu thị đặc tính phuơng hướng bằng đồ thị người ta dùng cácđường cong phẳng vẽ đặc tính phương hướng theo hai mặt phẳngchính, mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng (đối với mặt đất )

Búp của đặc tính phương hướng ứng với hướng phát cực đạigọi là búp chính còn các búp khác gọi là búp phụ

Ví dụ : búp hướng của anten đứng nối đất.

Hình 2-3.Búp hướng của anten nối đất

5 Hệ số tác dụng phương hướng D

Đó là tỷ số của bình phương cường độ trường ở hướng khảosát trên cường độ điện trường trung bình hay nói cách khác đó là tỉsố của mật độ công suất bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trênhướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi anten chuẩn cũng tạihướng và khoảng cách trên

Suy ra: Etb= 2

E

(2.10)

Chú ý : khi dùng anten có tính phương hướng thì điều quan trọng

là phải hướng thật đúng hướng bức xạ cực đại về phía mà ta địnhthông tin

6 Hệ số tăng tích của anten (G).

Hệ số tăng tích của anten là một thông số biểu thị cho đặc tính bứcxạ của anten so với hệ số định hướng vì nó không chỉ biểu thị đơnthuần đặc tính định hướng của anten mà còn biểu thị sự tổn haotrên anten

Hệ số tăng tích là tích số của hệ số tác dụng phương hướng với

hiệu suất anten G là một tham số đầy đủ hơn nhất vì nó không

những kể đến tác dụng phương hướng mà còn kể đến cả công suấttiêu hao vô ích trong anten

7 Đặc tính tần số với dải thông tần của anten.

Anten cũng là một hệ thống dao động có tính chọn lọc Anten phảibảo đảm được hiệu suất bức xạ cũng như đặc tính phương hướngtrong bảng tần số làm việc Người ta chia ra :

a Anten dải rộng:là anten dùng để làm việc ở một tần số sóng

mang nhưng bảo đảm bức xạ không méo nhưng tín hiệu có dải tầnsố rất rộng

b Anten băng sóng: là anten làm việc ở một vài tần số sóng mang.

8 Hệ số khuếch đại ε của anten

Hệ số khuếch đại ε là tích số của hệ số tính phương hướng D vớihiệu suất η:

ε =D η (2.11)

ε: biểu thị mật độ công suất bức xạ ở một điểm quan sát náo đó lớnhơn bao nhiêu lần so với trường hợp công suất vào Pv của antenđược phân bố đều trong không gian.

9 Độ dài hiệu dụng.

Độ dài hiệu dụng là chiều dài của một cạnh hình chữ nhật, có diệntích bằng tích của biên độ dòng điện tại điểm cấp điện và độ dàiấy Từ đây ta có thể nói: độ dài hiệu dụng của anten là độ dài củamột anten dây giả định có dòng điện phân bố đồng đều với biên độbằng biên độ dòng điện tại điểm cấp điện của anten khảo sát Độdài hiệu dụng của anten có giá trị khác độ dài hình học, và phụthuộc vào bước sóng Đối với dây dẫn có độ dài l=λ2 thì độ dài hiệudụng có giá trị πλ nghĩa là chỉ bằng 0.637l Trường hợp dây dẫn cóđộ dài rất nhỏ so với bước sóng thì độ dài hiệu dụng tiến đến độdài hình học của anten

Anten có kết cấu hình học khác nhau nhưng nếu có cùng chiều caohiệu dụng như nhau thì mức độ thu như nhau

B Giới thiệu thông tin vệ tinh.

I Giới thiệu chung.

Chúng ta đang sống trong thời kỳ quá độ tới một xã hộiđịnh hướng thông tin tiên tiến nhờ có các công nghệ mới trongnhiều lĩnh vực khác nhau Các loại thông tin truyền trên sóng vôtuyến, đó là viễn thông vô tuyến, đã đi vào đời sống hằng ngày củachúng ta và chúng ta có thể cảm nhận cuộc sống hiện tại của thếgiới xung quanh chúng ta nhờ các phương tiện truyền hình và điệnthoại quốc tế

Về đại thể các thông tin có thể được phân ra các loạinhư thông tin dùng cáp đồng trục hoặc cáp sợi quang và thông tinvô tuyến sử dụng sóng vô tuyến điện nối liền nhiều nơi trên thếgiới vượt qua thời gian và không gian

Hiện nay, các hệ thống cáp biển dung lượng lớn sử dụng các cáp sợquang đã được đưa vào sử dụng cho thông tin quốc tế Đối với thôngtin vô tuyến quốc tế, thông tin vệ tinh đã cung cấp các đường thôngtin dung lượng lớn thay thế cho thông tin sóng ngắn trước đây đượcsử dụng thường xuyên hơn.

Để đạt được thông tin vệ tinh hiệu quả hơn, cần phảihiểu rõ hệ thống truyền dẫn, các công nghệ và cấu hình hệ thốngtrạm mặt đất

1 Nguyên lý thông tin vệ tinh.

Một vệ tinh, có khả năng thu, phát sóng vô tuyến điệnsau khi được phóng vào vũ trụ dùng cho thông tin vệ tinh; khi đóvệ tinh sẽ khuếch đại sóng vô tuyến điện nhận được từ các trạmmặt đất và phát lại sóng vô tuyến đến các trạm mặt đất khác Loạivệ tinh nhân tạo sử dụng cho thông tin vệ tinh như thế được gọi là

vệ tinh thông tin.

Do vệ tinh chuyển động khác nhau khi quan sát từ mặt đất,phụ thuộc vào quỹ đạo bay của vệ tinh, vệ tinh có thể được phân ra

vệ tinh quỹ đạo thấp và vệ tinh địa tĩnh.

Vệ tinh quỹ đạo thấp là vệ tĩnh mà nhìn từ mặt đất nóchuyển động liên tục, thời gian cần thiết cho vệ tinh để chuyểnđộng xung quanh quỹ đạo của nó khác với chu kỳ quay của quả đấtxung quanh trục của nó.Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lênquỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000 km so với đường xích đạo Vệtinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng mất 24 giờ Do chukỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của quả đất xung quanh trụccủa nó theo hướng đông cùng với hướng quay của quả đất, bởi vậyvệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất Do vậy nóđược gọi là vệ tinh địa tĩnh Bởi vì một vệ tinh địa tĩnh có thể bảođảm thông ổn định liên tục nên có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹđạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin

Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở các vị trí cách điều nhaubên trên xích đạo thì có thể thiết lập thông tin hầu hết các vùngtrên quả đất bằng cách chuyển tiếp qua một hoặc hai vệ tinh

Cấu hình cơ bản nhất của một hệ thống thông tin từ trạm mặt đấtqua vệ tinh đến trạm mặt đất khác được trình bày như hình (2.5):

Hình 2-5 Cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin

Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên và đường hướng từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống Hầu hết, các tần số trong khoảng 6 GHz và/hoặc 14GHz

được dùng cho đường lên và các tần số ở khoảng 4GHz hoặc 11GHzđược sử dụng cho đường xuống

Quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo có ba thông số quan trọng:khoảng cách từ quỹ đạo vệ tinh đến mặt đất, hình dạng và gócnghiêng so với mặt bình độ Một thông số chung là mặt phẳngchuyển động của vệ tinh phải đi qua tâm quả đất Thời gian vệtinh đi hết một đường quỹ đạo tỉ lệ thuận với căn bậc ba của phânnửa trục quỹ đạo Có ba dạng quỹ đạo cơ bản được dùng cho vệtinh: quỹ đạo êllip, quỹ đạo đồng bộ con, quỹ đạo địa tĩnh

Đối với quỹ đạo êlip và quỹ đạo đồng bộ con, thời gian đicủa vệ tinh hết một quỹ đạo khác với thời gian quay quanh trục củavệ tinh, nghĩa là vệ tinh chuyển động nhanh hơn khi càng gần mặtđất Các vệ tinh viễn thông đầu tiên được đặt trên các quỹ đạothấp, từ 200 đến 500km Chúng quay vòng quanh trái đất trongkhoảng hai tiếng đồng hồ Các vệ tinh chụp ảnh, hay quan sát mặtđất, cũng như các tàu con thoi và phòng thí nghiệm vũ trụ, luônluôn được đặt trên quỹ đạo thấp Các loại vệ tinh này được gọi làvệ tinh tịnh tiến Nó đòi hỏi anten thu luôn luôn phải di chuyểntheo chúng, trong thời gian nó xuất hiện Thời gian này bằngkhoảng một nửa thời gian tồn tại của nó

Nhờ vào sự phát triển của tên lửa phóng và các vệ tinh nên có thểđạt đến quỹ đạo mà thời gian di chuyển của vệ tinh chung quanh

trái đất trong 24 giờ, quỹ đạo này gọi là quỹ đạo địa tĩnh và vệtinh nằm trên nó gọi là vệ tinh địa tĩnh.

Các định luật cơ học trong không gian, hay định luật Kepler đặt ra

ba điều kiện:

* Quỹ đạo phải nằm ở mức xích đạo để vệ tinh di chuyển không lệch hướng

* Quỹ đạo phải tròn để tốc độ vệ tinh không thay đổi

* Bán kính quỹ đạo phải đạt 42.200km hay 35.800km cách mặtđất, do bán kính trái đất là 6.366km Với điều kiện như vậy thì chukỳ quay vòng của vệ tinh có thời gian bằng với trái đất tức là 23giờ 56 phút Lực hút của trái đất với lực li tâm của vệ tinh sẽ bằngnhau Bán kính của quỹ đạo, không lệ thuộc vào khối lượng của vệtinh, mà lệ thuộc vào tốc độ góc của tốc độ góc của vòng quay

Vệ tinh địa tĩnh chuyển động với quỹ đạo trùng với chiều quay củatrái đất sẽ có tốc độ góc giống như tốc độ góc của trái đất Vận tốccủa vệ tinh trong quỹ đạo địa tĩnh là 3075m/s Vì lý do này màkhông có sự chuyển động tương đối giữa vệ tinh địa tĩnh và tráiđất Quỹ đạo địa tĩnh ngày nay được sử dụng phổ biến cho việcthực hiện truyền hình từ vệ tinh

a.Tỉ số sóng mang trên nhiễu C/N (Carrier/Noise).

Đó là tỉ số giữa công suất của tín hiệu nhận được với công suất N của tiếng ồn:

C/N = E+G-A-10logT-10logB-logK (2.12)

Trong đó: E = PIRE (dBW): công suất đẳng hướng bức xạ tương

đương PIRE được tính theo công suất của máy phát sóng và độ lợicủa anten:

G: độ lợi anten (dB).

A: sự suy giảm chung (dB).

T nhiệt độ tiếng ồn của anten và đầu thu SHF(οK )

B: độ rộng dải tần F của máy thu (MHz)

với 10logK=+226.6 dB (hằng số Boltzmann)

Tỉ số C/N = 6:quá ồn chất lượng xấu

8:mức giới hạn, một vài vệt nhiễu

10: thu tốt, màu sắc đẹp

12: thu rất tốt, chất lượng truyền hình bằng cáp

Để đảm bảo tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại điểm thu cần đảmbảo các thông số sau:

- Độ tăng tích của anten: khoảng 48.5dB (đối với antenthu 3m)

- Nhiệt độ nhiễu của anten: khoảng 23οK

- Mật độ công suất tại ngõ vào máy thu: khoảng –110dBw/m 2

b Hệ số nhiễu nhiệt G/T của trạm thu.

Hệ số này biểu thị ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ lợicủa vệ tinh Nhiệt độ càng tăng thì nhiễu càng lớn, thường tại giátrị nhiệt độ là 0οK thì không bị ảnh hưởng của nhiễu Giá trị nàycho phép chọn anten thu thích hợp tùy theo C/N Chúng ta có:

c Góc ngẩng tối thiểu.

Vùng phủ sóng của một vệ tinh được giới hạn bởi góc ngẩng Đó là góc bù hình thành từ đường thẳng nối liền nơi thu

đến vệ tinh, với đường thẳng đứng tại nơi thu Về mặt lý thuyết vệtinh địa tĩnh có thể phủ sóng 1/3 trái đất Tuy nhiên, trong thực tếkhông thể thực hiện được, bởi vì góc ngẩng của anten bị hạn chếđể loại trứ sự che khuất của địa hình Góc ngẩng này không thểnhỏ hơn 20ο, vì vậy vùng thu tín hiệu trên mặt đất giới hạn giữa

60οkinh tuyến bắc-nam và 60οvĩ tuyến đông- bắc Các vùng rừngnúi, thung lũng góc ngẩng tối thiểu phải là 30ο

Các vệ tinh cùng công tác trong một dải tần số phảiđược đặt trong quỹ đạo địa tĩnh với góc chênh lệch nhau 2ο − 3 οvàđảm bảo vị trí vệ tinh sao cho anten phát luôn hướng đúng về vùngphủ sóng trên mặt đất.Điều này rất quan trọng vì anten phát trênvệ tinh có tính định hướng cao Nếu không đảm bảo tốt điều kiệnnày thì vùng phủ sóng của anten sẽ lệch sang một số nước lân cận

Góc ngẩng (E) và góc phương vị (Az) sẽ định vị anten

thu để thu bất kỳ một quả vệ tinh nào, các quả vệ tinh khác nhauthì hai thông số trên của anten phải được tính toán đúng vị trí củaanten phát trên vệ tinh có kinh độ khác nhau trên từng vệ tinh

Anten thu sẽ có các giá trị góc ngẩng và góc phương vị tươngứng khác nhau, phù hợp với quả vệ tinh cần thu

Ta có thể dùng một gương anten thu cùng 3 quả vệ tinh đồngthời và có ưu điểm:

- Tiết kiệm được gương anten thu

- Nâng cao hiệu quả thu xem chương trình được nhiều kênhhơn

- Không chiếm nhiều diện tích mặt bằng đặt anten

Ở Việt Nam toàn bộ các trạm mặt đất hiện hữu đều thu

phát ở tần số băng C(phát 6GHz, thu 4GHz).

Thông số quan trọng về chất lượng tín hiệu thu được là tỉ số tìn hiệu trên nhiễu của kênh hình Tỉ số này phải đạt từ 45dB trở lên trong suốt 99% thời gian thu cả năm.

Tín hiệu hình phát từ vệ tinh với công suất cố định.Biên độ tín hiệu hình thu được là kết quả của quá trình truyền lantrong khí quyển Chất lượng hình ảnh thu được phụ thuộc rất nhiềuđiều kiện truyền sóng trong không gian vũ trụ và trong khí quyểncủa trái đất Mưa có thể làm tăng độ suy hao tín hiệu trên 7dB, cóthể dẫn đến làm gián đoạn việc thu Thường khí quyển có sự biếnđộng trong khi mưa và làm suy hao trong phạm vi 2dB Hiện tượngnày thường liên quan đến việc phá vỡ định hướng truyền sóng.Nhiều thực nghiệm và đo đạc thống kê cho thấy rằng suy hao trên2dB thường xảy ra khoảng 0.06% thời gian thu, trên 4.5dB chiếm0.01% thời gian thu

Mức độ nhận thấy nhiễu trên hình ảnh thu phụ thuộc

vào tỉ số dải tần hình trên nhiễu C/N (Carrier/Noise) Cường độ

điện trường vùng phủ sóng cần đảm bảo 63-65dBw để cho chấtlượng hình ảnh thu tốt trong suốt 90% thời gian vệ tinh hoạt độngtrong các điều kiện có mưa

d Các dải tần số dùng cho truyền thông bằng vệ tinh.

Dải tần 2 5 ÷ 4 2 GHz được sử dụng nhiệu cho thông tin mặtđất, đặc biệt là các tuyến viba Việc sử dụng dải tần này đặc biệtquan trọng đối với các nước vùng nhiệt đới, vì độ suy giảm do mưa.

Dải tần 12 GHz hiện nay đang được sử dụng cho các tuyến viba trên mặt đất còn ít, do đó ít bị nhiễu nếu sử dụng dải tần này cho truyền hình vệ tinh

Với dải tần 12 GHz cho phép đạt chùm sóng rất hẹp từ antenphát và anten thu có kích thước nhỏ

2 Ưu và khuyết điểm của quỹ đạo địa tĩnh.

Đối với quỹ đạo địa tĩnh, khi độ nghiêng và độ lệch tâm củaquỹ đạo bằng không, nghĩa là quỹ đạo tròn, thì vệ tinh cố định đốivới một điểm xác định trước trên mặt đất Trong thực tế, độnghiêng và độ lệch tâm hiếm khi bằng không Vì vậy, vệ tinh mỗingày lệch một ít so với trái đất

Quỹ đạo địa tĩnh có nhiều ưu điểm, do đó quỹ đạo này được sử dụngrộng rãi trong truyền thông Một vệ tinh mà xuất hiện cố định sovới tất cả các trạm mặt đất trong tầng đối lưu, sẽ giảm đến mức tốithiểu các yêu cầu, chọn lựa cho thiết bị đầu cuối, và các thông sốtruyền dẫn như tổn hao đường truyền là bất biến Hơn nữa, vùngthu tín hiệu vệ tinh địa tĩnh tốt là phù hợp với vùng đông dân Một

ưu điểm khác là độ dịch Doppler rất nhỏ và có thể dự đoán nhiễu

từ những hệ thống radio khác nhờ hình dạng hình học cố định củanó

Tuy nhiên, có một vài khuyết điểm vốn có của loại vệ tinhnày Thời gian trễ do truyền lan lớn, khoảng 25ms, vì tầm truyền

đạt của vệ tinh lớn Thời gian trễ này là thích hợp cho một cuộcnói chuyện điện thoại đôi thì quá khó khăn Hơn nữa, khi mặt trờixuất hiện trong khoảng cách sóng của anten trạm mặt đất, thì mặttrời trở thành một nguồn nhiễu mạnh Mặt khác, sự bất lợi của quỹđạo này là không có khả năng bao phủ cho toàn bộ mặt đất.

Một hạn chế của quỹ đạo địa tĩnh được đề cập đến gần

đây có liên quan đến những ứng dụng của nó trong thông tin mobile Ở những vùng mà góc ngẩng của vệ tinh nhỏ thì tổn hao

truyền lan lớn do các vật cản như: nhà, cây cối, , làm giới hạn khảnăng và độ tin cậy của tuyến liên lạc

Mặc dù vậy, những ưu điểm của quỹ đạo địa tĩnh vẫn hơn hẳnnhững khuyết điểm của nó trong hầu hết các ứng dụng và vì quỹđạo địa tĩnh được sử dụng trong hầu hết các hệ thống truyền thôngvệ tinh

Do yêu cầu đề tài là thiết kế anten Cassegrain, màanten này được sử dụng rộng rãi cho các trạm mặt đất và mạngthông tin vệ tinh địa tĩnh Em xin trình bày một mạng thông tin

vệ tinh địa tĩnh đó là mạng VSAT Chúng ta cũng nên đề cập đến một số yêu cầu về việc thiết kế mạng VSAT.

Giới thiệu chung về mạng VSAT.

Trong thiết kế mạng VSAT quan trọng nhất là việc tính

toán, lựa chọn cấu hình và kích cỡ các trạm sao cho giá thành thiết

bị, chi phí thuê kênh vệ tinh là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo đượcchất lượng tín hiệu yêu cầu Ngoài ra, như một đặc điểm lớn củathông tin vệ tinh, môi trường truyền sóng có ảnh hưởng đáng kểđến chất lượng tín hiệu, và bản thân nó lại thường thay đổi Vì

vậy, khi chọn lựa tham số các trạm VSAT cần tính đến hệ số dự

phòng để duy trì mức tín hiệu luôn luôn trong giới hạn cho phépvới một dải thay đổi rộng các điều kiện khí hậu, đặc biệt là khi cómưa lớn

Mục đích chính của việc thiết kế mạng mặt đất thông tin vệ

tinh là tính toán, lựa chọn trạm VSAT có kích cỡ tối thiểu, yêu cầu

tài nguyên băng thông, công suất nhỏ nhất nhưng vẫn đáp ứngchất lượng tín hiệu truyền đòi hỏi Cấu hình trạm mặt đất cầnchọn chủ yếu là các tham số:

- Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt

độ tạp âm)

- Công suất máy phát.

- Kênh thông tin.

Trạm mặt đất:

+ Vị trí địa lý của trạm: cho biết các thông số như suy hao domưa, góc nhìn vệ tinh, mức công suất phát xạ đẳng hướng tương

đương (EIRP), hệ số phẩm chất(G/T) của anten vệ tinh theo hướng

trạm và suy hao đường truyền giữa trạm mặt đất – vệ tinh

+ Công suất phát xạ, hệ số khuếch đại và hệ số phẩm chất

G/T của anten trạm.

+ Nhiệt độ tạp âm hệ thống: liên quan tới độ nhạy và tỷ số

+ Vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo: cho biết vùng phủ sóng vàgóc nhìn trạm mặt đất, khoảng cách trạm mặt đất – vệ tinh.

+ Mức EIRP, hệ số phẩm chất G/T của vệ tinh ở vị trí trạm

mặt đất

+ Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực

+ Mật độ dòng công suất bảo hòa

Các thông số vệ tinh.

- Mức công suất phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP và hệ sốphẩm chất G/T của anten vệ tinh theo hướng trạm mặt đất Giá trịEIRP và G/T có thể biết qua bản đồ các đường mức EIRP, G/T củanhà quản lý vận hành vệ tinh

- Mật độ dòng công suất bảo hòa (SFD) và băng thông của máyphát đáp

- Dải tần làm việc, dạng phân cực

- Mức lùi công suất đầu vào (IBO), đầu ra (OBO).

Kênh thông tin:

+ Dải tần số làm việc: cho biết suy hao đường truyền, mức dự trữkết nối

+ Tốc độ luồn thông tin

+ Đặc điểm mã hóa, điều chế

+ Kiểu truy nhập vệ tinh của mạng

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC MỘT SỐ LOẠi ANTEN

-oOo -I Anten siêu cao tần:

Anten siêu cao tần là loại anten dùng cho dải sóng có bướcsóng nhỏ (khoảng 10 m ) Nó được dùng trong thiết bị vô tuyếnđiện siêu cao tần như :vô tuyến truyền hình, rađa, điều khiển bằngvô tuyến Tùy theo yêu cầu cụ thể thì các anten siêu cao tần cótính phương hướng rộng hay hẹp, nhất định có kết cấu nhất định

1 Anten chấn tử ở siêu cao tần:

Chấn tử thường dùng là chấn tử nửa sóng Vì điện kháng vào củanó bằng không, kích thước nhỏ, tính phương hướng thường đạt yêucầu Điện trở vào thường là 73,1 ohm

Chấn tử siêu cao tần có yêu cầu quan trọng là phải phối hợpvới fide

Hình a: là chấn tử đối xứng tiếp điện bằng dây song hành Kết cấu

này bảo đảm tính đối xứng của chấn tử, trở kháng sóng của dâysong hành khoảng vài trăm ohm Do đó phải có thiết bị hợp trởkháng

Hình b: là chấn tử tiếp điện sun Đoạn giống như điện cảm mắc ở

đầu vào Chọn l và L điều chỉnh được trở kháng vào của anten màkhông cần thêm thiết bị phối hợp

Hình c:là chấn tử chiết hợp có trở kháng vào lớn phối hợp tốt với

fide song hành Do đó độ dài λ/2, dòng điện trên hai nhánh trên vàdưới cùng chiều (đồng pha) khoảng cách của hai nhánh nhỏ hơn sovới bước sóng Do đó bức xạ của anten chiết hợp có thể coi như bứcxạ của hai chấn tử nữa sóng đồng pha, hay hai chấn tử có dòngđiện là 2I

Công suất bức xạ: P∑ = 2 )2R = 2 )2 , 31 (3.1)

2 Anten Tuanike :

Anten Tuanike đơn giản là một kết cấu gồm hai chấn tử đối xứngđặt vuông góc với nhau, được tiếp điện với các dòng điện có biên độbằng nhau một góc π/2

Bức xạ của các tầng trong mặt phẳng ngang là đồng pha vàvô hướng với trường cực hóa ngang sẽ dạng cực hóa ngang là cựchóa thích hợp để tránh nhiễu công nghiệp ở dải sóng cực ngắn

Anten Tuanike được sử dụng làm anten phát sóng vô tuyếntruyền hình hoặc anten phát thanh sóng cực ngắn thì phải cóhướng tính cao trong mặt phẳng thẳng đứng

Để đạt được yêu cầu này, anten được cấu tạo từ nhiều antenTuanike đơn giản, xếp đặt thành nhiều tầng Khoảng cách giửa haitần thường được chọn là λ/2 , với các tần được tiếp điện đồng pha.Khi sử dụng làm anten vô tuyến truyền hình cần có các yêu cầu

sau :

- Bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang

- Bức xạ cực tiểu trong mặt phẳng đứng Tập trung công suấttrong mặt phẳng ngang

- Điện trường phân cực ngang

Để thực hiện việc tiếp điện lệch pha 90 ο giữa hai chấn tử trongcùng một tầng và tiếp điện đồng pha giữa các tầng

Hai đường fide nói với hai nhóm chấn tử của hai mặt phẳng đứngsẽ được điều chỉnh ở chế độ sóng chạy và được nối song song vớinhau, đồng thời độ dài của hai đuờng fide cần khác nhau một phần

tư bước sóng độ tạo lệch pha 90 ο giữa hai chấn tử vuông góc ở cáctầng

Để kết hợp yêu cầu về dải tần số và các yêu cầu khác nhằm đảmbảo có một kết cấu vững chắc, ít chắn gió, có khả năng chống séttốt, các chấn tử được chế tạo dưới dạng tấm lưới phẳng hình chữnhật hoặc cánh bướm

3 Anten dẫn điện :( Anten YAGI)

Sơ đồ anten như hình vẽ, nó gồm chấn tử chủ động thường là chấn tử nửa sóng, một chấn tử phản xạ thụ động,và một số chấn tửdẫn xạ thụ động D

Chấn tử chủ động A được nối với máy phát cao tần Dưới tác dụngcủa trường bức xạ tạo bởi A, trong Pv và D xuất hiện dòng cảm ứngvà các chấn tử này sẽ bức xạ thứ cấp Nếu chọn được độ dài củađiểm P và khoảng cách từ A đến P một cách thích hợp thì P sẽ trởthành chấn tử phản xạ của A.Khi ấy năng lượng bức xạ của cặp A,

P sẽ giảm dần về phía chấn tử phản xạ và tăng cường theo hướngngược lại Tương tự nếu chọn được độ dài D và khoảng cách từ Dđến điểm A một cách thích hợp thì D sẽ trở thành chấn tử dẫn xạcủa A năng lượng hệ bức xạ của hệ A – D tăng cường về phía chấntử dẫn xạ D Kết quả năng lượng bức xạ của hệ sẽ tập trung về mộtphía hình thành nên một kênh dẫn sóng dọc theo trục anten hướngtừ phía chấn tử phản xạ về – phía chấn tử dẫn xa Mỗi anten Yagithường chỉ có một chấn tử làm nhiệm vụ phản xạ

Số chấn tử dẫn xạ từ 2 đến 10 có khi tới vài chục cách nhau(0,15 –0,25 )λ Thanh phản xạ chỉ có một, khoảng cách thanh phảnxạ với chấn tử chính (0,1 – 0,35 ) λ Hệ số khuếch đại của antencàng lớn nếu số chấn tử dẫn xạ càng lớn Anten dẫn xạ đạt đượchệ số khuếch đại như sau:

Số chấn tử dẫn xạ Hệ số khuếch đại

1215138

Trong thực tế, thường chấn tử chủ động là chấn tử vòng dẹt vìhai lý do chính sau:

-Có thể trực tiếp gắn trực tiếp chấn tử lên thanh đở kimloại,không cần dùng phần tử cách điện

-Chấn tử vòng dẹt có trở kháng vào lớn, thuận tiện trong việcphối hợp trở kháng

II Anten sóng ngắn :

Anten sóng ngắn là anten dùng trong dải sóng 10 – 100 m Những anten sóng ngắn thường dùng trong quân sự, hàng không, thông tin cự ly xa và phát thanh

a Những yêu cầu của anten sóng ngắn :

Anten sóng ngắn do đặc điểm truyền sóng nên có những yêu cầu cơbản sau đây :

1 Sóng ngắn suy giảm nhanh trên mặt đất thường suy giảmhết khi đi khỏi đài phát Do đó phải truyền lan bằng sóng nơianten sóng ngắn phải có một góc nghiêng nhất định tùy thuộc cự lythông tin

2 Anten sóng ngắn phải là anten có dải tần số tương đối rộng docác thông số của tầng điện ly thay đổi

3.Tầng điện ly không đồng đều, mặt khác khi truyền lan quatầng điện ly tia sóng lệch đi trong mặt phẳng ngang, do đó tínhphương hướng của anten trong mặt phẳng ngang và đứng không

thể quá hẹp phải là 20 – 30 0 và trong mặt phẳng đứng với mặtphẳng ngang là 10 –15 0

4 Khi phản xạ ở tầng điện ly, sóng phân cực thẳng sẽ bị chuyển thành phân cực ellip Do đó điều kiện truyền lan của sóng trời không khác đối với sóng phân cực đứng hay ngang Anten phát thì thường phân cực ngang vì phân cực đứng có nhiều thành phần sóngđất do đó hiệu suất thấp

5 Để tránh hồi âm và tạp âm Tính phương hướng anten phảicó múi phụ bè và đơn hướng Sóng ngắn gồm những loại anten đơngiản như: chấn tử đối xứng nằm ngang, dải tần, anten góc; antenphức tạp như: hệ thống chấn tử đồng pha, anten sóng chạy, antentrám

b Chấn tử ở sóng ngắn:

- Chấn tử đơn giản :

Chấn tử đơn giản sóng ngắn là một chấn tử đối xứng nằmngang trên mặt đất Chấn tử làm bằng dây đồng hay lưỡng kimđường kính 2 – 4 mm (hình 3.4) Độ dài của anten là:

0.25≤ ≤ 0 64

λ

l

(3.2)Anten căng trên một độ cao độ H = (0,1 – 1) λ (3.3)

Anten bức xạ lên hai múi đối xứng trong mặt phẳng xích đạo vớigóc ∆ tùy thuộc vào độ cao H

Anten thường được tiếp điện bằng dây song hành đốixứng, trở kháng sóng fide theo hai tiêu chuẩn 300 và 600 Ω

- Chấn tử dải rộng :

Để mở rộng dải tần số theo yêu cầu thông tin sóng ngắn,người ta giảm trở kháng sóng anten (Ws) Chấn tử dải sóng thườnglàm có dạng giống như hình (3.5) gọi là chấn tử Hagehemko Chấntử này gồm một số dây n cán thành dạng lồng sóng của chấn tử.Tính theo công thức :

W = 120 ( ∋ − 1 )

ρ

l In

ρ ρ

Ví dụ: Trên vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái Đất do Liên Xô

phóng lên có hai anten góc với α = 70ο, l1 = 2 9 m và l2 = 2 4 m thôngtin ở bước sóngλ 1=15m, λ2 =7.5m

2 Anten trám.

Là một anten sóng ngắn thuộc loại sóng chạy Nó gồm bốnđoạn dây dài xếp thành hình tròn, đầu kia trám nối với phide songhành Kết cấu thực tế của anten trám được vẽ như hình (3.7)

Bức xạ của anten là tổng trở của bốn cạnh hình trám Anten trámthường căng ngang trên mặt đất ở độ cao H

+ Cường độ trường của anten trong mặt phẳng ngang:

2 sin[

)]

, sin(

1 ( 2 sin[

) , sin(

1

cos 240

θ ϕ θ

ϕ θ

r

I

(3.7)

với Io dòng điện đầu vào của anten

θ :là góc hướng quan sát với đường chéo lớn

ϕ là 1/2 góc tù của anten.

+ Cao độ trường của anten trong mặt phẳng đứng

)] sin KH sin(

).

sin cos

1 2

Kl [ sin sin

cos 1

cos I

∆ : góc của hướng quan sát với phương nằm ngang

3 Anten sóng chạy.

Là một loại anten dùng để thu sóng điện từ

Anten chạy sóng gồm một dây song hành trở kháng W và đầucuối có phối hợp Rt Hai bên đầu dây có những chấn tử đối xứng vớiđường dây qua những tụ ghép C Tất cả căng ngang trên mặt đấtvới một độ cao h

Độ dài của nhánh chấn tử nhỏ hơn λ /4 và cách chấn tử đặtcách nhau khoảng λ /10 bước sóng Đầu của anten nối với máy thucó trở kháng phối hợp

Anten có tính phương hướng khá cao Song hiệu suất rất thấp nênhệ số khuếch đại của anten chỉ gần bằng 1, múi phụ của antencũng nhỏ Vì vậy anten chỉ dùng làm anten thu

β : góc truyền lan của sóng trên anten.Để giảm ảnh hưởng của cácchấn tử lên dây song hành người ta ghép các chấn tử vào dây quamột tụ C có trở kháng lớn khoảng (4_10)pF

4 Anten sóng trung dài.

a Những yêu cầu cơ bản của sóng trung dài :

Sóng trung dài là những sóng có bước sóng lớn hơn 100 m hàng chia thành những khoảng sau đây :

Từ 100 m - 550 m dùng cho phát thanh

Từ 550m - 750 m dùng cho các đài lưu động nhất là trong hànghải