quá trình truyền lan sóng trong môi trường thực [truyền dẫn vô tuyến]

SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT HÀN KHOA TIN HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN ĐỀ TÀI QUÁ TRÌNH TRUYỀN LAN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC Giảng viên hưỡng dẫn : Nguyễn Vũ Anh Quang Sinh viên thực hiện : Phạm Ngọc Anh Nguyễn Quyết Đạt Đà Nẵng, ngày 10 tháng 12 năm 2011 ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 1 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT MỤC LỤC 1. Tính chất của sóng điện từ………………………….…………… 2 2. Phân cực sóng vô tuyến điện………………………………… …2 2.1 Phân cực thẳng……………………………………………………2 2.2 Phân cực tròn…………………………………………………… 3 2.3 Phân cực elip………………………………………………………3 3. Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng……… 3 3.1 Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện ………………………3 3.2 Các băng sóng vô tuyến điện và ứng dụng………………………4 4. Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực ……5 4.1 Truyền lan sóng bề mặt………………………………………… 5 4.2 Truyền lan sóng không gian…………………………… ………5 4.3 Truyền lan sóng trời…………………………………… ………6 4.4 Truyền lan sóng tự do…………………………… ………….…6 5. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến.7 5.1 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do…………… …7 5.2 Ảnh hưởng Pha đinh…………………………………………… 7 5.2.1 Các kĩ thuật làm giảm ảnh hưởng của pha đinh…………… 7 5.2.1.1 Phân tập theo không gian…………………………………….7 5.2.1.2 Phân tập theo tần số………………………………………… 8 6. Các công thức truyền sóng trong không gian tự do…………… 8 6.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường…………8 6.2 Tổn hao truyền sóng………………… ……………………… 10 ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 2 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT 1. Tính chất của sóng điện từ Sóng điện từ gồm 2 thành phần chính là điện trường kí hiệu là E ( V/m ) và từ trường kí hiệu là H (A/m). Chúng có quan hệ mật thiết với nhau và được mô tả bằng phương trình Maxwell. Sóng điện từ có mật độ công suất được biểu thị qua năng lượng vecto năng lượng .k E H   =   r r r . Vì vậy vecto E và H vuông góc với phương truyền sóng. Sóng điện từ truyền qua trong môi trường đẳng hướng là sóng ngang TEM. Hình 1.1 Sự truyền lan sóng điện từ 2. Phân cực sóng vô tuyến điện Trường điện từ của sóng vô tuyến điện sẽ dao động theo một huớng xác định. Phân cực sóng điện từ chính là hướng dao động của trường điện từ. Có 3 loại phân cực bao gồm: phân cực tròn, phân cực thẳng và phân cực elip. 2.1 Phân cực thẳng Phần lớn truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, trong đó phân cực đứng được gọi là phân cực trong đó trường điện vuông góc với mặt đất và phân cực ngang gọi là phân cực khi trường điện song song với mặt đất. Hình 1.2 Các thành phần phân cực thẳng và phân cực ngang ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 3 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT 2.2 Phân cực tròn Hiện tượng phân cực tròn là hiện tượng mà đầu nút vecto sẽ vẽ lên đường tròn có độ dài bán kính bằng vecto. Hướng của phân cực tròn được xác đinh bởi tay quay của vecto. Phân cực tròn tay phải là phân cực quay cùng chiều kim đồng hô. Phân cực tròn tay trái là phân cực quay ngược kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng. Phương truyền sóng là trục z dương. Hình 1.3 phân cực tròn 2.3 Phân cực elip Tỷ số phân cực elip là tỉ số giữa trục chính và trục phụ elip. Phân cực elip trục giao xảy ra khi một sóng có cùng tỉ số phân cực. nhưng phương quay ngược chiều. 3. Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng 3.1 Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện Dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm truyền lan để phân chia sóng vô điện thành các băng sóng khác nhau: - Sóng cực dài: Có bước sóng lớn hơn 10.000 m ( tần số thấp hơn 30kHz ) - Sóng dài: Có bước sóng từ 10.000 đến 1000 m ( tần số từ 30 đến 300 kHz ) ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 4 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT - Sóng trung: Có bước sóng từ 1000 đến 100m ( tần số từ 300 đến 3 kHz ) - Sóng ngắn: Có bước sóng từ 100 đến 10m ( tần số từ 3 đến 3kHz ) - Sóng cực ngắn: Có bước sóng từ 10 m đến 1 mm ( tần số từ 30 đến 300.000MHz ) - Tiếp theo là các sóng gần, ánh sáng, hồng ngoại, ánh sáng trắng, tia cực tím, tia X,… 3.2 Các băng sóng vô tuyến điện và ứng dụng - Băng sóng cực dài sử dụng ở lĩnh vực vật lí, thông tin vô tuyến hàng hải - Băng thông dài và băng sóng trung sử dụng trong thông tin phát thanh nội địa, điều biên, thông tin hàng hải, vô tuyến đạo hàng. - Băng sóng ngắn sử dụng phát thanh điều biên cự ly xa và một số dạng âm thanh đặc biệt. - Băng sóng mét sử dụng cho phát thanh điều tần và truyền hình - Băng sóng dentimet sử dụng cho phát thanh truyền hình, các hệ thống thông tin vi băng hẹp, thông tin di động. - Băng sóng centimet được sử dụng trong thông tin vi ba số băng rộng, thông tin di động - Băng thông milimet được sử dụng hạn chế trong thông tin vê tinh, dùng cho thông tin vu trụ ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 5 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT 4. Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực 4.1 Truyền lan sóng bề mặt *Khuyết điểm: - Chất lượng sóng bị giảm do sự hấp thụ của trái đất. Sư hấp thụ này phụ thuộc vào tần số, nếu tần số tăng thì bị suy giảm càng lớn. - Khả năng nhiễu xạ qua vật chắn trên đường đi phụ thuộc đi phụ thuộc vào độ cao tương đối của vật chắn so với bước sóng. *Ứng dụng: - Hệ thống phát thanh, thông tin trên biển 4.2 Truyền lan sóng không gian *Nguyên lý: - Anten đặt cao trên mặt đất ít nhất vài bước sóng - Sóng điện từ đến điểm thu theo 3 cách + Sóng trực tiếp: Đi thẳng từ điểm phát đến điểm thu + Sóng phản xạ: Đến điểm thu sau khi phản xạ trên mặt đất (thỏa mãn ĐL PX) + Tán xạ *Đặc điểm: - Chụi tác động thay đổi môi trường bên ngoài như mưa, bão, giông,. … ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 6 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT *Ứng dụng: - Sử dụng trong băng sóng cực ngắn ( UHF, VHF ) như truyền hình, các hệ thống vi ba, hệ thống thông tin di động, hệ thống thông tin vệ tinh. 4.3 Truyền lan s óng trời *Đặc điểm: - Lợi dụng đặc tính phản xạ của tầng điện ly đối với băng sóng cực ngắn. - Sóng điện từ phản xạ sẽ quay trở về trái đất. - Không ổn định do sự thay đổi điều kiện phản xạ của tầng điện li *Ứng dụng: - Sự dụng trong thông tin vô tuyến 4.4 Truyền lan sóng tự do *Nguyên lý: ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 7 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT - Môi trường truyền sóng lý tưởng (đồng tính, đẳng hướng, không hấp thụ <=> môi trường chân không) - Sóng truyền lan trực tiếp đến điểm thu theo một đường thẳng *Đặc điểm: - Môi trường chỉ tồn tại trong vũ trụ, sử dụng cho thông tin vũ trụ - Bầu khí quyển trái đất trong một số điều kiện nhất định được coi là không gian tự do 5. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến 5.1 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do Độ suy hao cúa sóng vô tuyến được phát từ anten phát đến anten thu trong không gian tự do tỉ lệ thuận với khoảng cách giữu hai ăng ten và tỉ lệ nghịch với độ dài buớc sóng. Suy hao này gọi là suy hoa trong không gian tự do và tính như sau: 0 4 20log d L π λ   =  ÷   5.2 Ảnh hưởng Pha đinh Pha đinh là biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang tại anten thu do không có sự thay đôi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của dất và nước trên đường sóng vô tuyến đi qua Có 2 loại pha đinh là: - Pha đinh phẳng: làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số - Pha đinh lựa chọn tần số: làm thay đổi tín sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc vào tần số 5.2.1 Các kĩ thuật làm giảm ảnh hưởng của pha đinh Để hạn chế ảnh hưởng của pha đinh trong truyền sóng vô tuyến người ta sử dụng hai kĩ thuật là phân tập theo không gian và phân tập theo tần số để nâng cao chất lượng của tín hiệu thu 5.2.1.1 Phân tập theo không gian Phân tập theo không gian là kĩ thuật thu và phát một tín hiệu trên cùng 1 điểm phát với cùng một tần số f Khoảng cách giữa máy phát và máy thu được chọn sao cho tín hiệu riêng biệt được thu không tương quan nhau tương ứng với hệ số tương quan bằng 0 ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 8 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT Khả năng cải thiện cải thiện tín hiệu thu của một anten được xác định bằng độ lợi phân tập Ios ( ) 4 2 10 2 10 100 9 4 / 40 Fm r s f Ios a d − +     =  ÷  ÷     Trong đó: s là khoảng cách giữa 2 tâm của cặp thu phát (m) f là tần số sóng mang (GHz) a r là hệ số hhuếch đại công suất phân tập so với anten chính A d là hệ số khuếch đại anten phân tập (dB) A m là hệ số khuếch đại anten chính (dB) d là độ dài tuyến truyền dẫn F m là độ dự trữ pha đinh phẳng 5.2.1.2 Phân tập theo tần số Phân tập theo tần số là kĩ thuật là kỹ thuật thu phát một tín hiệu trên hai kênh tần số sóng vô tuyến. Hệ số cải thiện phân tập tần số là: /10 0.8(1/ )( / )10 FM Iof fd f f = ∆ Trong đó: f là tần số trung tâm của băng tần (GHz) d là độ dài đường truyền (km) /f f ∆ là khoảng cách tần số tương đối biểu thị bằng % F m là độ dự trữ pha đinh (dB) 6. Các công thức truyền sóng trong không gian tự do 6.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường Ta có nguồn bức xạ là vô hướng, môi trường đẳng hướng và đồng nhất nên năng lượng sóng điện từ do nguồn bức xạ sẽ tỏa đều ra không gian hinh cầu. Lúc này mật độ thông lượng tại một điểm cách nguồn một khoảng cách r xác định như sau: ( ) 2 2 W / 4 T i P S m r π = 1.1 Theo lý thuyết trường ta có: ( ) 2 W / i h h S E H m = 1.2 ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 9 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT 120 h h E H π = 1.3 Trong đó E h (V/m), H h (A/m) là giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường và từ truờng. Thay công thức 1.2 vào 1.1 ta có 2 120 h i E S π = 1.4 So sánh công thức 1.1 và 1.4 ta có 2 30 T h P E r = 1.5 *Nếu nguồn bức xạ có hướng thì mật độ thông lượng xác định như sau: ( ) 2 2 W / 4 T T P G S m r π = 1.6 Lúc này cường độ điện truờng được tính như sau: ( ) 2 30 / T T h P G E V m r = 1.7 *Nếu sóng điện từ là nguồn bức xạ biến đổi điều hòa theo thời gian theo quy luật sin , ost c t ω ω hoặc viết dưới dạng số phức thì cường độ điện trường tính bởi công thức sau: ( ) ( ) ( ) 60 os / t t PG E t c t kr V m r ω = − 1.8 Trong đó t ω là tần số góc của sóng / 2 /k c ω π λ = = là hệ số sóng Nếu viết dưới dạng số phức thì công thức 1.8 có dạng như sau: ( ) ( ) ( ) 60 / j t kr t t PG E t e V m r ω − = 1.9 ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 10 [...]... 4π r ) − 20 log10 π ( dB ) L0 = 20 log10 rkm − 20 log10 f GHz + 92.45 ( dB ) ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 11 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Ăng ten và truyền sóng – Học viện Bưu Chính Viễn Thông năm 2008 [2] Các cơ sở về sóng vô truyến và pha đinh - www.daihoc.com.vn ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 12 ...SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT Nếu biểu thị cự li r (km), công suất phát P T (kW) thì ta có giá trị hiệu dụng điện trường như sau: Eh = 173 P ( kW ) GT T r ( km ) ( mV / m ) 1.10 ( mV / m ) 1.11 Biên độ của trường Em = 245 P ( kW ) GT T r ( km ) Giá trị tức thời của cường độ trường E ( t) = 245 60 Pt ( kW ) Gt r( km ) e j ( ωt −kz ) ( mV / m ) 1.12 6.2 Tổn hao truyền sóng *Nếu ta chỉ bức xạ ra môi. .. sóng *Nếu ta chỉ bức xạ ra môi trường một công suất P T, anten thu chỉ thu nhận một công suất Pr, thì hệ số tổn hao khi truyền sóng được đinh nghĩa bằng tỉ số của công suất bức xạ trên công suất anten thu được bằng biểu thức ( 4π r ) P L= R = P GT GR λ2 T 2 (số lần) 1.13 *Trong trường hợp không có tác động tính hướng của nguồn, nghĩa là G T=1, Gr=1 được gọi là tổn hoa trong không gian tự do và tính . lan sóng trong môi trường thực ……5 4.1 Truyền lan sóng bề mặt………………………………………… 5 4.2 Truyền lan sóng không gian…………………………… ………5 4.3 Truyền lan sóng trời…………………………………… ………6 4.4 Truyền lan sóng tự. chế trong thông tin vê tinh, dùng cho thông tin vu trụ ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN 5 SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT 4. Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực 4.1 Truyền lan sóng. SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT HÀN KHOA TIN HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN ĐỀ TÀI QUÁ TRÌNH TRUYỀN LAN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC Giảng