PHẦN NỘI DUNG Chương 1: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1.1 Một số tính chất cơ bản của sóng điện từ
Sự phân cực của sóng vô tuyến điện
Trường điện từ của sóng vô tuyến dao động theo một hướng nhất định trong môi trường, và phân cực của sóng điện từ chính là hướng dao động này Việc áp dụng các phân cực khác nhau của sóng điện từ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa tần số cho thông tin vô tuyến.
Trường tại vùng xa của anten có dạng sóng phẳng TEM và được xác định bằng vectơ Pointing: k E H Điều này có nghĩa là các vectơ E và
H nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng k
Phương của đường do đầu mút của véc tơ trường điện xác định phân cực sóng, trong khi trường điện và trường từ là các hàm thay đổi theo thời gian Trường từ thay đổi đồng pha với trường điện, và biên độ của nó tỷ lệ với biên độ của trường điện, do đó chỉ cần xem xét trường điện Có ba loại phân cực sóng vô tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực tròn và phân cực elip.
Hầu hết các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, bao gồm phân cực đứng, trong đó trường điện vuông góc với mặt đất, và phân cực ngang, trong đó trường điện song song với mặt đất Trong không gian, vectơ trường của sóng có thể được biểu thị bằng các thành phần thẳng đứng và nằm ngang, với các trục x và y tương ứng với phương ngang và đứng.
là các vectơ đơn vị trong phương ngang và phương đứng; E x , E y là giá trị đỉnh (hay biên độ) của trường điện trong phương ngang và phương đứng
Trường tổng sẽ là vectơ E hợp với trục ngang một góc được xác định như sau: y x arctan g E
Trong hiện tượng phân cực đường thẳng của sóng điện từ, vectơ E không biến đổi và độ dài của nó thay đổi theo thời gian Đầu mút của vectơ luôn nằm trên một đường thẳng cố định, trùng với phương của vectơ có góc nghiêng α Khi góc α bằng 0, sóng sẽ có tính chất phân cực ngang.
E luôn song song với mặt đất; còn khi = 90 0 ta có sóng phân cực đứng, vectơ
E luôn vuông góc với mặt đấy y x
Hình 1.2: Các thành phân ngang và đứng của phân cực thẳng
Khi các thành phần thẳng đứng và nằm ngang có biên độ bằng nhau (ký hiệu là
E 0 ) nhưng một trường nhanh pha hơn 90 0 Các phương trình thể hiện chúng trong trừơng hợp này như sau: t sin E i
Áp dụng phương trình (1.6), ta có α = ωt, với biên độ vectơ tổng là E0 Trong trường hợp này, vectơ E có biên độ không đổi nhưng hướng thay đổi liên tục theo thời gian theo quy luật ωt Điều này có nghĩa là vectơ E quay quanh gốc của nó trong mặt phẳng xy với vận tốc ω, và đầu mút của vectơ trường điện vẽ lên đường tròn có bán kính bằng độ dài vectơ Đây là hiện tượng phân cực tròn.
IEEE z RHC §iÓm nh×n theo
Phân cực tròn được xác định bởi phương quay của vectơ điện, yêu cầu quan sát chiều quay của vectơ này Theo định nghĩa của IEEE, phân cực tròn tay phải (RHC) là phân cực quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng, trong khi phân cực tròn tay trái (LHC) quay ngược chiều kim đồng hồ Phương truyền sóng diễn ra dọc theo trục z dương.
Trong trường hợp tổng quát hơn sóng điện từ có dạng phân cực elip Điều này xảy ra khi hai thành phần tuyến tính là: t sin E i
Tỷ số sóng phân cực elip là tỷ lệ giữa trục chính và trục phụ của elip Phân cực elip trực giao xuất hiện khi sóng có cùng tỷ số phân cực nhưng quay theo chiều ngược lại.
Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng
1.3.1 Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện
Sóng điện từ đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, quốc phòng, thăm dò tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu vũ trụ và thông tin liên lạc Dựa vào tính chất vật lý và đặc điểm truyền lan, sóng vô tuyến điện được phân chia thành các băng sóng khác nhau.
Sóng cực dài: Những sóng có buớc sóng lớn hơn 10.000 m (tần số thấp hơn 30 kHz)
Sóng dài: Những sóng có buớc sóng từ 10.000 đến 1.000 m (Tần số từ 30 đến 300 kHz)
Sóng trung: Những sóng có buớc sóng từ 1.000 đến 100 m (Tần số từ 300 kHz đến 3 MHz)
Sóng ngắn: Những sóng có buớc sóng từ 100 đến 10 m (Tần số từ 3 đến 30 MHz) Sử dụng cho thông tin phát thanh điều tần, truyền hình
Sóng cực ngắn: Những sóng có buớc sóng từ 10 m đến 1mm (Tần số từ 30 đến 300.000 MHz).Sóng cực ngắn được chia nhỏ hơn thành một số băng tần số
Tiếp đến là các băng sóng gần ánh sáng, hồng ngoại, ánh sáng trắng, tia cực tím, tia X,…
Khoảng tần số từ 30 Hz đến 3000 GHz được chia thành 11 băng tần như trong bảng dưới
Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng
Tên băng tần (Băng sóng) Ký hiệu Phạm vi tần số
Tần số vô cùng thấp ULF 30 - 300 Hz
Tần số cực thấp ELF 300 - 3000 Hz
Tần số rất thấp VLF 3 - 30 kHz
Tần số thấp (sóng dài) LF 30 - 300 kHz
Tần số trung bình (sóng trung) MF 300 - 3000 kHz
Tần số cao (sóng ngắn) HF 3 - 30 MHz
Tần số rất cao (sóng mét) VHF 30 - 300 MHz
Tần số cực cao (sóng decimet) UHF 300 - 3000 MHz
Tần số siêu cao (sóng centimet) SHF 3 - 30 GHz
Tần số vô cùng (sóng milimet) EHF 30 - 300 GHz
1.3.2 Các băng sóng vô tuyến điện và ứng dụng
Mỗi băng sóng được ứng dụng cho các hệ thống thông tin khác nhau do đặc điểm truyền lan sóng trong các môi trường thực
Băng sóng cực dài sử dụng ở lĩnh vực vật lý, thông tin vô tuyến đạo hàng, thông tin trên biển
Băng sóng dài và băng sóng trung được sử dụng cho thông tin phát thanh nội địa, điều biên; thông tin hàng hải; vô tuyến đạo hàng
Băng sóng ngắn sử dụng cho phát thanh điều biên cự ly xa và một số dạng thông tin đặc biệt
Băng sóng mét được sử dụng cho phát thanh điều tần và truyền hình
Băng sóng decimét được sử dụng cho truyền hình, các hệ thống thông tin vi ba số băng hẹp, thông tin di động
Băng sóng centimét được sử dụng cho thông tin vi ba số băng rộng, thông tin vệ tinh
Băng sóng milimét được sử dụng hạn chế cho thông tin vệ tinh với băng Ka, dùng cho thông tin vũ trụ.
Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực
1.4.1 Sơ lƣợc về bầu khí quyển
Bầu khí quyển của Trái Đất được phân chia thành ba tầng chính: tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng điện ly Ranh giới giữa các tầng này không cố định, mà thay đổi theo mùa và khu vực địa lý Mỗi tầng có những đặc điểm và tính chất rất khác nhau, ảnh hưởng đến khí hậu và thời tiết trên hành tinh.
Tầng đối lưu là lớp khí quyển kéo dài từ bề mặt trái đất đến độ cao từ 6 đến 11 km, nơi nhiệt độ không khí giảm dần theo độ cao Chẳng hạn, nhiệt độ ở bề mặt trái đất có thể đạt 10°C nhưng sẽ giảm xuống còn -55°C ở biên trên của tầng đối lưu.
Tầng bình lưu, nằm trên tầng đối lưu và kéo dài khoảng 50 km, có đặc điểm nổi bật là nhiệt độ gần như không biến đổi theo độ cao.
Tầng điện ly, nằm ở độ cao từ 60 km đến 600 km, có lớp khí quyển rất mỏng và bị ion hóa mạnh mẽ chủ yếu do bức xạ từ mặt trời Ngoài ra, bức xạ từ các vì sao, tia vũ trụ và chuyển động của thiên thạch cũng góp phần tạo ra một miền chủ yếu chứa các điện tử tự do và ion.
Bên cạnh đó, do tính chất vật lý của mỗi băng sóng mà mỗi băng sóng có phương thức truyền lan thích hợp để đạt được hiệu quả nhất
Có bốn phương thức truyền sóng tùy thuộc vào môi trường truyền sóng: truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng không gian, truyền lan sóng trời (sóng điện ly) và truyền lan sóng tự do Sóng bề mặt và sóng không gian đều thuộc loại sóng đất, vì chúng cùng truyền lan trong tầng đối lưu, nhưng chúng lại có những đặc điểm khác nhau rõ rệt.
1.4.2 Truyền lan sóng bề mặt
Sóng bề mặt di chuyển qua bề mặt trái đất, nơi mà môi trường có tính chất bán dẫn điện Khi sóng điện từ phát ra từ một anten thẳng đứng, các đường sức điện trường được khép kín nhờ dòng dẫn trên bề mặt Nếu sóng gặp vật chắn, chúng sẽ nhiễu xạ qua và tiếp tục lan truyền ra phía sau vật chắn.
Hình 1.4: Quá trình truyền lan sóng bề mặt
Sự truyền lan sóng bề mặt có khả năng truyền tải tất cả các băng sóng, nhưng bị suy giảm đáng kể do sự hấp thụ của trái đất Mức độ suy giảm này phụ thuộc vào tần số, với tần số cao hơn dẫn đến sự suy giảm lớn hơn Bên cạnh đó, khả năng nhiễu xạ qua các vật chắn trong đường truyền còn phụ thuộc vào độ cao tương đối của vật chắn so với bước sóng.
Các loại đất có độ dẫn điện cao như mặt biển và đất ẩm giúp sóng vô tuyến ít bị suy hao, làm tăng cường độ trường tại điểm thu Sóng vô tuyến điện với bước sóng lớn có khả năng nhiễu xạ mạnh và ít bị hấp thụ bởi mặt đất Do đó, sóng bề mặt có hiệu suất truyền tải tốt hơn trong các điều kiện này.
1.4.3 Truyền lan sóng không gian
Tầng đối lưu, nằm trong lớp khí quyển bao quanh Trái Đất với độ cao từ 0 đến 11 km, là nơi diễn ra các hiện tượng thời tiết như sương mù, mưa, bão và tuyết Những hiện tượng này có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện.
Khi hai anten thu và phát được đặt ở độ cao lớn so với bước sóng, sóng có thể truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu hoặc phản xạ từ mặt đất Ngoài ra, sóng cũng có thể bị tán xạ do sự không đồng nhất trong tầng đối lưu, tạo ra thông tin tán xạ tầng đối lưu Các phương thức này được gọi là truyền lan sóng không gian hay sóng tầng đối lưu.
Phương thức truyền lan sóng không gian là kỹ thuật quan trọng trong việc truyền tải thông tin qua các băng sóng cực ngắn như VHF, UHF và SHF Kỹ thuật này được áp dụng rộng rãi trong truyền hình, hệ thống vi ba, hệ thống chuyển tiếp trên mặt đất, thông tin di động và thông tin vệ tinh Nội dung chi tiết về phương thức này sẽ được phân tích sâu hơn trong chương II.
Hình 1.5: Truyền lan sóng không gian 1.4.4 Truyền lan sóng trời
Tầng điện ly, nằm ở độ cao từ 60 km đến 600 km, là lớp khí quyển bị ion hóa mạnh mẽ do năng lượng bức xạ từ mặt trời, chủ yếu bao gồm điện tử tự do và các ion Một trong những đặc điểm nổi bật của tầng điện ly là khả năng phản xạ sóng vô tuyến điện trong những điều kiện nhất định Việc tận dụng sự phản xạ này cho thông tin vô tuyến diễn ra thông qua việc sóng được phản xạ một hoặc nhiều lần từ tầng điện ly, được gọi là phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly.
Hình 1.6: Truyền lan sóng trời 1.4.5 Truyền lan sóng tự do
Trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ như chân không, sóng vô tuyến điện truyền từ điểm phát đến điểm thu theo đường thẳng mà không bị ảnh hưởng, như minh họa trong hình 1.7.
Môi trường lý tưởng chỉ tồn tại ngoài khoảng không vũ trụ, trong khi lớp khí quyển của trái đất chỉ có thể đạt được những điều kiện nhất định Dưới những điều kiện này, ta có thể coi khí quyển như một môi trường gần giống không gian tự do.
Khuếch tán từ tầng điện ly
Phản xạ nhiều lần từ tầng điện ly
Mục tiêu trong vũ trụ
Hình 1.7: Sự truyền lan sóng tự do
Hình 1.8 cho ta thấy các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực của khí quyển quả đất
TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN 2.1 Các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn
Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu
Tầng đối lưu là lớp khí quyển kéo dài từ bề mặt trái đất lên đến độ cao khoảng 8 - 10 km ở vĩ tuyến cực, 10 - 12 km ở vĩ tuyến trung bình và 16 - 18 km ở vùng nhiệt đới Đây là một môi trường có các tham số thay đổi theo thời gian và không gian, nơi diễn ra các hiện tượng khí tượng như mưa, bão và tuyết, tạo nên tính không đồng nhất của nó Khi một vùng trong tầng đối lưu không đồng nhất với môi trường xung quanh, theo nguyên lý quang, một tia sóng đi vào vùng đó sẽ khuếch tán ra mọi phía.
Giả sử anten phát được đặt tại điểm A, với giản đồ tính hướng được xác định bởi hai đường AC và AC1, tạo thành một thể tích nhất định trong tầng đối lưu An ten thu được lắp đặt tại vị trí tương ứng.
Hình 2.1: Sự khuếch tán sóng trong tầng đối lưu
B, giản đồ tính hướng của nó được giới hạn bởi hai đường BC và BD Hai giản đồ này giao nhau tại thể tích V, thể tích này sẽ tham gia vào quá trình truyền sóng tán xạ và đươc gọi là thể tích tán xạ Nếu trong thể tích V cấu tạo của khí quyển không đồng nhất, nghĩa là trong đó có những miền mà hệ số điện môi cục bộ khác với hệ số điện môi của môi trường xung quanh thì sóng đi vào vùng này sẽ bị khuếch tán ra mọi phía và một phần sẽ được truyền tới anten thu
Phương thức thông tin này ít được áp dụng trong thực tế do độ tin cậy không cao, yêu cầu công suất máy phát lớn và tính hướng anten cao.
Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu
Khi chiết suất trong tầng đối lưu thay đổi theo quy luật dN/dh < -0.157 (1/m) ở một độ cao nhất định, tia sóng sẽ bị uốn cong với độ cong lớn hơn độ cong của trái đất, như minh họa trong hình 2.2 Hiện tượng này được gọi là siêu khúc xạ tầng đối lưu.
Miền siêu khúc xạ kéo dài từ mặt đất đến độ cao h0, với chiết suất thay đổi như tầng đối lưu Khi đặt nguồn bức xạ tại điểm A, các tia sóng có góc xuất phát lớn hơn so với mặt phẳng ngang (tia 1 và tia 2) sẽ khúc xạ ít và xuyên qua miền siêu khúc xạ mà không bị giữ lại Góc giới hạn th là góc mà tại đó sóng sẽ bị uốn cong theo đường giới hạn ở độ cao h0 (tia 3) Các tia có góc xuất phát < th sẽ bị uốn cong trở về mặt đất và phản xạ nhiều lần để truyền đi xa Hiện tượng siêu khúc xạ khiến sóng truyền đi xa giống như quá trình truyền sóng trong ống dẫn, với giới hạn trên là miền siêu khúc xạ và giới hạn dưới là mặt đất.
Lợi dụng tính chất của miền siêu khúc xạ để truyền sóng cực ngắn đi xa là một phương pháp thú vị, tuy nhiên, miền siêu khúc xạ thường xảy ra bất thường với độ cao và chiều dài thay đổi liên tục Điều này dẫn đến việc truyền lan thông tin qua siêu khúc xạ tầng đối lưu trở nên thất thường và không liên tục, do đó phương pháp này không phù hợp cho việc truyền tải thông tin vi ba.
Hình 2.2: Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu
Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với các điều kiện lý tưởng
Hai phương pháp thông tin trên không phổ biến do nhược điểm và sự phụ thuộc vào điều kiện thiên nhiên Do đó, thông tin vi ba thường áp dụng phương pháp truyền lan trong phạm vi nhìn thấy trực tiếp, yêu cầu hai anten thu và phát được đặt cao để tránh bị che chắn bởi các chướng ngại vật trên mặt đất.
Phần dưới đây ta sẽ xem xét kỹ phương pháp truyền lan này
2.2 Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với các điều kiện lý tưởng 2.2.1 Tính cường độ trường trong trường hợp tổng quát, công thức giao thoa Để đơn giản trước hết ta nghiên cứu quá trình truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với giả thiết môi trường ở các điều kiện lý tưởng Đó là: mặt đất phẳng, bỏ qua độ cong và độ ghồ ghề của mặt đất, khí quyển đồng nhất, không hấp thụ và anten đặt cao so với mặt đất ít nhất vài bước sóng công tác Lúc này quá trình truyền sóng được mô tả như hình 2.4
Tại điểm thu B, có một tia tới trực tiếp (tia 1) đi thẳng trong tầng đối lưu và một tia phản xạ từ mặt đất tại điểm C (tia 2) Chỉ có tia 2 phản xạ đến điểm B, vì với giả thiết mặt đất phẳng, nó thỏa mãn điều kiện góc tới bằng góc phản xạ Cường độ trường tại điểm B được xác định bởi tổng cường độ của tia tới 1 và tia phản xạ 2, hiện tượng này được gọi là giao thoa.
Hình 2.4: Mô hình truyền sóng trong điều kiện lý tưởngHình 2.3: Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp
Giả sử độ dài đường truyền là r, với chiều cao anten phát là ht và chiều cao anten thu là hr Bằng cách sử dụng phép tính hình học, chúng ta có thể xác định điểm phản xạ C từ mặt đất, góc nghiêng Δ, cũng như hiệu số đường đi giữa tia phản xạ từ mặt đất và tia tới trực tiếp Δr.
Cường độ điện trường tại điểm thu do tia tới trực tiếp truyền trong không gian tự do sẽ là:
Chọn hệ toạ độ sao cho góc pha đầu của tia tới trực tiếp bằng 0
Cường độ điện trường tại điểm thu của tia phản xạ sẽ là:
- r 1 : đoạn đường đi của tia tới trực tiếp, bằng AB trên hình
- r 2 : đoạn đường đi của các tia phản xạ, bằng AC + BC hình
- r: là hiệu số đường đi của tia phản xạ và tia trực tiếp r = r 1 - r 2
Hệ số phản xạ phức từ mặt đất, ký hiệu là R, được biểu diễn dưới dạng R = R.e^(-jθ), trong đó R là mô đun và θ là góc pha, phụ thuộc vào loại đất tại điểm phản xạ cũng như phân cực của sóng Các giá trị của hệ số này thường được tính toán sẵn và có thể tra cứu qua bảng hoặc đồ thị.
G T1 và G T2 là hệ số khuếch đại của anten phát theo hướng tia trực tiếp và tia phản xạ Trong công thức tính hệ số G, hướng tia tới và tia phản xạ được coi là bằng nhau và đều bằng G T Điều này xảy ra do trong thực tế, một tuyến vi ba luôn thỏa mãn điều kiện độ cao anten h t và h r rất nhỏ so với khoảng cách r, dẫn đến phương bức xạ của tia 1 và 2 gần như trùng nhau.
Do ảnh hưởng của độ rộng r, có thể coi r1, r2 xấp xỉ bằng r ở phần biên độ Tuy nhiên, với bước sóng trong giải sóng vi ba rất nhỏ, góc sai pha giữa tia trực tiếp và tia phản xạ trở nên quan trọng, vì λ xấp xỉ Δr Thay thế các điều kiện này vào các công thức (2.1) và (2.2) sẽ cho ra kết quả cụ thể.
Cường độ điện trường của tia phản xạ sẽ là:
Cường độ điện trường tổng hợp tại B bằng:
(mV/m) (2.6) trong đó: + r2/ là góc sai pha toàn phần
Giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường tại B được xác định theo công thức:
Công thức giao thoa được sử dụng để xác định cường độ trường tại điểm thu khi sóng truyền lan trên mặt đất phẳng và anten được đặt cao hơn mặt đất.
So sánh (2.7) với công thức (1.18) của truyền lan sóng trong không gian tự do, trong trường hợp sóng truyền trên mặt đất phẳng có hệ số suy giảm F bằng:
F thể hiện ảnh hưởng của mặt đất phẳng lên quá trình truyền sóng không gian ở khoảng cách nhìn thấy trực tiếp, đặc biệt khi anten được đặt cao Thuật ngữ hệ số suy giảm mang tính tương đối và có thể có giá trị cực đại lớn hơn 1 Trong công thức, R là mô đun hệ số phản xạ và là góc sai pha khi phản xạ, cả hai đều phụ thuộc vào góc tới, tính chất của mặt đất và sự phân cực của sóng Các giá trị này thường được tra cứu sẵn qua bảng hoặc đồ thị.
Hiệu đường đi của tia phản xạ từ mặt đất và tia tới trực tiếp được xác định theo phương pháp hình học
Hình 2.5: Xác định hiệu số đường đi r h r + h t r h r
Các công thức trên không xem xét yếu tố phân cực, mà chỉ áp dụng cho sóng có phân cực ngang Khi đó, vectơ cường độ trường của tia tới và vectơ cường độ trường của tia phản xạ sẽ cùng phương.
Nếu sóng có phân cực thẳng đứng (hình 2.6) thì lúc đó vectơ E 1 vuông góc với tia
Vectơ E₂ vuông góc với tia CB, dẫn đến việc chúng có phương khác nhau Để tính toán chính xác trong trường hợp này, cần tổng hợp vectơ E₁ và E₂, với góc lệch giữa chúng gần đúng là h t h r r.
Trường tổng hợp có thể xem cùng phương với trục đứng
Nếu sóng phân cực ngang, trường tổng hợp sẽ là phân cực ngang Ngược lại, nếu sóng phân cực đứng, trường tổng hợp có thể được coi là phân cực đứng.
Thay giá trị của r ở công thức (2.9) vào công thức (2.8) ta có: t r
Để xác định hệ số suy giảm và cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu, cần xem xét các thông số như công suất phát là 15 W, bước sóng truyền lan 35 cm, hệ số khuếch đại của anten phát 200, chiều cao anten phát 80 m, chiều cao anten thu 20 m, và cự ly đường truyền 8 km Khi sóng phân cực ngang có R = 0,91 và θ = 180°, trong khi sóng phân cực đứng có R = 0,68 và θ = 180°.
Theo công thức (2.9) hiệu số quãng đường đi là: r h h t r ,
Hình 2.6: Vectơ và trong trường hợp sóng phân cực thẳng đứng
Thay các giá trị vào công thức (2.10) tìm được:
Khi sóng phân cực ngang:
Khi sóng phân cực đứng:
Theo công thức (2.7) giá trị cường độ trường tại điểm thu sẽ là:
Khi sóng phân cực ngang:
Khi sóng phân cực đứng:
2.2.2 Các dạng đơn giản của công thức giao thoa
Trong thực tế, độ cao của anten phát và thu nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa chúng, dẫn đến góc nghiêng của tia phản xạ từ mặt đất rất nhỏ, có thể xem là R.
= 1 và = 180 0 Thay vào các công thức (2.6) và (2.8) và biến đổi ta sẽ nhận được
Công thức (2.12) có thể đơn giản hơn được nữa nếu đạt được điều kiện: h h t r r
Khi ấy có thể thay thế gần đúng: sin h h t r h h t r r r
Lúc này công thức giao thoa có dạng đơn giản nhất
Công thức (2.13) do Vêdenski đưa ra năm 1922 nên được gọi là công thức Vêdenski
Để xác định hệ số suy giảm và cường độ trường tại điểm đặt anten thu, cần xem xét các thông số như công suất phát 50 W, bước sóng 10 cm, và hệ số khuếch đại của anten phát là 60 Chiều cao của anten phát và anten thu lần lượt là 25 m và 10 m, với khoảng cách giữa hai anten là 10 km Các tham số R = 1 và θ = 180° cũng cần được tính đến trong quá trình tính toán.
Giải: Hệ số suy giảm được xác định theo công thức (2.11)
Như vậy, hệ số suy giảm ở đây không đúng như tên gọi, mà trường tổng hợp tại điểm thu sẽ tăng lên gấp hai lần
Cường độ điện trường tại điểm thu được các định theo (2.12)
Ví dụ 2.3: Như ví dụ 2.2 nhưng bước sóng bằng 1m
m 2 nghĩa là thỏa mãn điều kiện t r h h r
18 nên cường độ trường được tính theo công thức (2.13)
2.2.3 Điều kiện truyền sóng tốt nhất
Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi kể đến ảnh hưởng của địa hình
2.3.1 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi tính đến độ cong của mặt đất
Khi khoảng cách giữa anten phát và anten thu lớn, mặt đất không thể coi là phẳng mà cần được xem như mặt cầu, vì vậy trong các tính toán phải tính đến độ cong của mặt đất.
Một thông số quan trọng trong đường thông tin là khoảng cách tầm nhìn thẳng, được xác định bởi độ dài đoạn đường thẳng nối giữa anten phát, anten thu và tiếp tuyến với mặt đất, ký hiệu là r0 Công thức tính khoảng cách này là r0 = AC + CB, trong đó AC được tính bằng công thức AC = (a + ht)² - a² = 2aht.
Trong đó a là bán kính trái đất, h t và h r là độ cao của anten phát và anten thu so với mặt đất
Thay a = 6370 km và biểu thị r 0 bằng km, h t , h r bằng mét ta có:
Hình 2.8: Cự ly nhìn thấy trực tiếp
Bây giờ ta khảo sát bài toán truyền sóng trên mặt đất cầu (hình 2.9)
Hình 2.9: Mô hình truyền sóng trên mặt đất cầu
Quá trình truyền lan sóng trên mặt đất tương tự như trên mặt đất phẳng, với trường tại điểm thu là kết quả của sự giao thoa giữa tia trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất Để tính cường độ trường tại điểm thu, cần vẽ một mặt phẳng tiếp tuyến tại điểm phản xạ của sóng và xác định chiều cao anten từ mặt đất phẳng (chiều cao giả định) Cường độ trường sẽ được tính theo công thức giao thoa như trên mặt đất phẳng, nhưng với chiều cao thực h t và h r được thay thế bằng chiều cao giả h ' t và h r '.
Công thức truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi anten đặt cao trên mặt đất cầu sẽ là:
(mV/m) (2.20) Để tính cường độ trường cần tìm các giá trị chiều cao giả của anten theo chiều cao thực và khoảng cách r
Từ hình vẽ ta tìm được:
Việc tính toán điểm phản xạ chính xác là một quá trình phức tạp Trong bài viết này, chúng ta chỉ xem xét trường hợp khi cự ly thông tin gần bằng khoảng cách tầm nhìn thẳng.
Trong các công thức tính toán cường độ trường, chỉ có tích số độ cao thật của anten h t và h r được xem xét Để tính toán khi tính đến độ cong của quả đất, chúng ta cần đưa vào hệ số bù m, thường được xác định theo đồ thị.
Như vậy công thức truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi anten đặt cao trên mặt đất cầu sẽ là:
2.3.2 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi tính đến độ mấp mô của mặt đất
Mặc dù trong nhiều trường hợp chúng ta coi mặt đất là phẳng, thực tế mặt đất lại không bằng phẳng Khi sóng gặp bề mặt mấp mô, sóng phản xạ sẽ bị tán xạ, dẫn đến chỉ một phần năng lượng sóng phản xạ tới điểm thu, ảnh hưởng đến cường độ trường tại đó Do đó, việc xác định độ mấp mô của bề mặt là cần thiết Bề mặt có thể được coi là mấp mô ở một số tần số và góc tới nhất định, nhưng khi các tham số này thay đổi, bề mặt có thể trở thành phẳng Để đánh giá độ mấp mô của mặt đất, chúng ta sử dụng tiêu chuẩn Rayleigh, như được minh họa trong hình 2.10a và 2.10b.
Tiêu chuẩn Rayleigh được xây dựng trên cơ sở bề mặt được lý tưởng hóa với tia
Tia A được phản xạ từ phần trên của bề mặt mấp mô, trong khi tia B phản xạ từ phần dưới Các mặt sóng tương ứng AA' và CC' được thể hiện trong hình 2.10b, cho thấy sự tương tác giữa các tia.
Hình 2.10a: Mặt cắt địa hình thực
Hình 2.10b: Mô hình lý tưởng hóa của bề mặt mấp mô
Mặt sóng 2 sai khác về quãng đường của hai tia này khi đạt tới các điểm C và C ' tại mặt sóng CC ' sau khi phản xạ tại B và B ' là:
Do đó sự sai lệch về pha là:
Nếu độ cao h nhỏ so với bước sóng, sự sai lệch pha sẽ nhỏ, khiến bề mặt được coi là bằng phẳng Sự sai lệch pha có thể dao động từ 0 đến π Khi Δφ = π, các tia phản xạ sẽ triệt tiêu lẫn nhau, tạo ra trường tổng bằng 0.
> /2 thì sự phản xạ sóng có tính chất tán xạ Như vậy tiêu chuẩn Rayleigh nhận được từ: h sin
Nếu độ mấp mô của mặt đất thỏa mãn tiêu chuẩn Rayleigh thì có thể coi mặt đất là phẳng
Với tia tới trực tiếp ta phải xét đến vùng tham gia vào quá trình truyền lan sóng.
Ảnh hưởng của tầng đối lưu không đồng nhất
2.4.1 Hệ số điện môi và chiết suất của tầng đối lưu
Tầng đối lưu là một môi trường không đồng nhất, với các tham số như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất thay đổi liên tục theo không gian và thời gian.
Tính chất quan trọng của tầng đối lưu là nhiệt độ giảm theo độ cao, khoảng
6 0 /km Nhiệt độ trung bình ở giới hạn trên của tầng đối lưu trong các miền cực khoảng
Nhiệt độ ở miền nhiệt đới dao động từ 55°C đến khoảng -80°C Áp suất khí quyển trung bình ở mặt đất là 1041 mbar, nhưng giảm gần một nửa còn 538 mbar ở độ cao 5 km Tại độ cao 11 km, áp suất trung bình chỉ còn 225 mbar, và ở độ cao 17 km, giới hạn trên của tầng đối lưu trong vùng nhiệt đới, áp suất giảm xuống còn khoảng 90 mbar.
Hơi nước trong tầng đối lưu chủ yếu xuất phát từ sự bốc hơi của nước từ đại dương, biển và sông hồ dưới tác động của bức xạ mặt trời Do đó, khí quyển ở vùng đại dương ẩm ướt hơn so với khí quyển trên đất liền, và lượng hơi nước giảm nhanh chóng theo độ cao.
Trong khảo sát này, chúng ta sử dụng khái niệm tầng đối lưu tiêu chuẩn, với các đặc điểm như sau: Ở mặt đất, áp suất đạt 1013 mbar, nhiệt độ là 15°C và độ ẩm tương đối là 60% Khi chiều cao tăng thêm 100 m, áp suất giảm 12 mbar và nhiệt độ giảm 0,55°C, trong khi độ ẩm tương đối được giữ nguyên Giới hạn trên của tầng đối lưu thường là 11 km.
Hệ số điện môi của không khí thường được xem là gần bằng 0, nhưng thực tế nó có giá trị lớn hơn một chút và bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và độ ẩm.
Chiết suất của môi trường được xác định bởi:
Giá trị n thường chỉ lớn hơn 1 một chút, vì vậy để thuận tiện trong việc sử dụng, người ta thường áp dụng khái niệm chỉ số chiết suất để biểu thị chiết suất Chỉ số chiết suất được định nghĩa như sau:
Từ công thức (2.26) ta được
(2.27) Lấy vi phân biểu thức này theo h ta có: h h dN dP P P dT dP dh T dh T T dh T dh
Tầng đối lưu thường (hay còn gọi là tầng đối lưu tiêu chuẩn) sẽ có dN 4,3.10 2 dh
(1/m) Trong các tính toán thường dùng giá trị dN 4.10 2 dh
2.4.2 Hiện tƣợng khúc xạ khí quyển
Tầng đối lưu không đồng nhất dẫn đến hiện tượng khúc xạ khí quyển khi tia sóng truyền đi không song song với mặt đất, khiến tia sóng bị uốn cong Để xác định bán kính cong của quỹ đạo sóng trong trường hợp này, ta khảo sát hai lớp khí quyển kề nhau với chiết suất khác nhau, trong đó dn là sự khác biệt về chiết suất và dh là bề dày của lớp khí quyển có chiết suất n + dn.
Giả sử một tia sóng được bức xạ với góc tới đi qua khoảng cách dh vào lớp có chiết suất n + dn, với góc tới thay đổi thành + d Bán kính cong của tia sóng sẽ được xác định dựa trên các thông số này.
Xét tam giác abc ta có:
os +d os do đó: R dh c os d
(2.29) Áp dụng định luật khúc xạ tại điểm a ta có:
cos d sin dn d cos sin dn cos d sin n d cos sin n sin n
) cos d sin d cos )(sin dn n ( sin n
Bỏ qua các đại lượng nhỏ bậc hai, ta có: n sin n sin ncos d +sin dn nên sin dn cos d n
Thay giá trị này vào (2.29) ta có:
Trong thực tế, chiết suất của lớp khí quyển gần bằng 1, dẫn đến việc thông tin vi ba có cự ly truyền sóng lớn hơn nhiều lần chiều cao của anten Do đó, tia sóng truyền từ anten phát đến anten thu gần như nằm ngang, khiến sinφ gần bằng 1 Khi đó, bán kính cong của quỹ đạo sóng có thể được tính theo công thức đơn giản.
Hình 2.11: Mô tả các thông số tính bán kính cong của tia sóng
Bán kính cong của tia sóng khi đi qua tầng đối lưu phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của chiết suất theo độ cao, mà không liên quan đến giá trị tuyệt đối của chiết suất đó.
Khi chiết suất tăng theo độ cao (dn/dh > 0), bán kính cong sẽ có giá trị âm, dẫn đến quỹ đạo sóng có bề lõm hướng lên trên, khiến tia sóng bị uốn cong lên, hiện tượng này được gọi là khúc xạ âm.
Khi chiết suất giảm theo độ cao (dn/dh < 0) và bán kính cong dương, quỹ đạo sóng sẽ có bề lõm hướng xuống dưới, được gọi là khúc xạ dương Ngược lại, nếu chiết suất không thay đổi theo độ cao, tia sóng sẽ di chuyển theo đường thẳng.
2.4.3 Ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển khi truyền sóng trong tầm nhìn thẳng
Khi áp dụng công thức giao thoa, trường tại điểm thu phụ thuộc vào hiệu số hình học giữa tia tới trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất Hiện tượng khúc xạ khí quyển khiến tia sóng bị cong, làm thay đổi hiệu số hình học trong trường hợp sóng truyền qua khí quyển đồng nhất Để xem xét ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển, phương pháp đơn giản là giả định cả hai tia tới trực tiếp và tia phản xạ đều truyền theo quỹ đạo thẳng trên mặt cầu tưởng tượng có bán kính a tđ, thay vì trên mặt đất có bán kính a.
Hình 2.12: Quỹ đạo của tia sóng trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất trong tầng khí quyển thực
Để thay thế tia sóng thực và mặt đất thực bằng tia sóng đi thẳng và mặt đất tương đương, cần đảm bảo rằng độ cong tương đối giữa mặt đất thực và tia sóng thực phải tương đương với độ cong giữa mặt đất tương đương và tia sóng đi thẳng Điều này có nghĩa là phải tuân theo một phương trình nhất định.
Từ đó rút ra: td a a a R
Thay bán kính cong R bởi công thức (2.31) vào (2.32) ta được: td a a a dn dN a a dh dh
Khái niệm bán kính tương đương của trái đất giúp áp dụng các công thức đã đề cập trước đó bằng cách thay thế bán kính a của mặt đất bằng bán kính a tđ.
- Cự ly tầm nhìn thẳng:
Gọi k là tỉ số của bán kính tương đương và bán kính thực k = a td/ /a ta có
Với tầng đối lưu thường k = 4/3 ta có:
Hình 2.13: Các quỹ đạo của sóng vô tuyến a Quỹ đạo thực với trái đất bán kính thực b Quỹ đạo đường thẳng với trái đất có bán kính tương đương
Bán kính cong quỹ đạo a. a R b. a tđ
- Độ cao giả của anten:
2.4.4 Các dạng khúc xạ khí quyển
LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 3.1 Mở đầu
Vị trí của anten trong thông tin vô tuyến
Anten là hệ thống cấu trúc có khả năng bức xạ và thu nhận sóng điện từ, đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin vô tuyến điện Thông tin vô tuyến sử dụng sóng điện từ để truyền tải từ nơi phát đến nơi thu, với một hệ thống truyền dẫn đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten thu Tại nơi phát, sóng điện từ cao tần được truyền từ máy phát đến anten qua hệ thống phi đơ, và anten phát biến đổi sóng điện từ thành sóng tự do bức xạ ra không gian Cấu tạo của anten quyết định đặc tính biến đổi năng lượng điện từ Tại nơi thu, anten thu tiếp nhận sóng điện từ tự do và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc, sau đó truyền về máy thu để nhận tin.
Thiết bị xử lý tín hiệu
Thiết bị xử lý tín hiệu Anten phát Anten thu
Hình 3.1: Hệ thống truyền tin đơn giản
Thiết bị anten - phi đơ cần phải đảm bảo truyền và biến đổi năng lượng sóng điện từ với hiệu suất tối ưu, đồng thời không làm méo dạng tín hiệu.
Anten là thành phần quan trọng trong các hệ thống thông tin, với yêu cầu khác nhau tùy thuộc vào loại hệ thống Đối với các hệ thống thông tin quảng bá như phát thanh và truyền hình, anten cần có bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang để đảm bảo tín hiệu được thu nhận từ mọi hướng Trong khi đó, trong mặt phẳng thẳng đứng, anten cần có bức xạ định hướng để tối ưu hóa tín hiệu thu được, giảm năng lượng bức xạ không cần thiết và tiết kiệm công suất máy phát Ngược lại, trong các hệ thống thông tin vô tuyến điểm tới điểm như vi ba, thông tin vệ tinh và radar, anten yêu cầu bức xạ với tính hướng cao, tập trung sóng bức xạ vào một góc hẹp để nâng cao hiệu quả truyền tín hiệu.
Nhiệm vụ của anten không chỉ là chuyển đổi sóng điện từ ràng buộc thành sóng điện từ tự do, mà còn phải bức xạ sóng điện từ theo các hướng nhất định, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể.
Anten có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, thường theo các cách phân loại sau:
Anten đóng vai trò quan trọng trong việc truyền và nhận tín hiệu, được phân loại thành anten phát, anten thu hoặc anten phát + thu dùng chung Thông thường, anten được sử dụng cho cả hai chức năng này, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền thông.
- Dải tần công tác của anten: Anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóng ngắn và anten sóng cực ngắn
- Đồ thị phương hướng của anten: anten vô hướng và anten có hướng
- Phương pháp cấp điện cho anten: anten đối xứng, anten không đối xứng.
Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ
Mọi hệ thống điện từ có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ trường biến thiên đều có khả năng phát ra sóng điện từ Tuy nhiên, sự bức xạ sóng điện từ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định.
Trong một mạch dao động L, C, khi có sức điện động biến đổi, điện trường biến thiên xuất hiện giữa hai bản tụ và từ trường biến thiên hình thành trong lòng cuộn dây Tuy nhiên, trường điện từ này không bức xạ ra bên ngoài mà bị giữ lại bởi các thành phần của mạch Dòng điện di chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất giữa hai bản, dẫn đến năng lượng điện trường bị giới hạn trong không gian đó, trong khi năng lượng từ trường chủ yếu tập trung trong lòng cuộn dây Toàn bộ năng lượng của hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong dây dẫn của cuộn cảm và tổn hao trong chất điện môi của tụ điện.
Hình 3.2: Quá trình bức xạ sóng điện từ
Khi khoảng cách giữa hai má tụ điện được mở rộng, dòng điện dịch sẽ trùng với đường sức điện trường, không còn dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện Thay vào đó, một phần của dòng điện này sẽ lan tỏa ra môi trường bên ngoài và có khả năng truyền tới những điểm xa nguồn, với nguồn sinh ra điện trường chủ yếu từ các điện tích trên hai má tụ điện.
Khi khoảng cách giữa hai má tụ điện được mở rộng, dòng điện dịch sẽ lan tỏa nhiều hơn, tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong không gian bên ngoài và truyền đi với vận tốc ánh sáng Khi xa nguồn, điện trường này tự khép kín và không còn liên hệ với điện tích trên hai má tụ điện Ngược lại, các đường sức gần tụ điện bắt nguồn từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm, do đó giá trị điện trường tại những điểm này sẽ biến thiên theo điện tích trên tụ điện Tuy nhiên, tại những điểm xa nguồn, như điểm M, giá trị điện trường có thể đạt một mức nhất định trong khi điện tích trên tụ điện biến đổi Các đường sức tự khép kín hình thành điện trường xoáy, và theo quy luật biến thiên của Maxwell, điện trường xoáy sẽ tạo ra từ trường biến đổi, từ trường này lại tạo ra điện trường xoáy, hình thành quá trình truyền lan sóng điện từ.
Trường điện từ tự do là trường điện từ không bị ràng buộc bởi nguồn, và năng lượng của nó được gọi là năng lượng bức xạ Năng lượng này rất hữu ích và chủ yếu được sử dụng trong thông tin vô tuyến.
Trường điện từ bị ràng buộc bởi nguồn gọi là trường điện từ ràng buộc Năng lượng của trường điện từ này gọi là năng lượng vô công
Vậy một thiết bị bức xạ điện từ là thiết bị trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có khả năng thâm nhập
Các tham số cơ bản của anten
Để đánh giá và lựa chọn anten hiệu quả, cần xem xét các đặc tính và tham số quan trọng của nó Dưới đây là các đặc điểm cơ bản của anten mà bạn nên lưu ý.
Khi sử dụng anten, cần xác định xem anten đó bức xạ vô hướng hay có hướng, cùng với hướng bức xạ cực đại và hướng không bức xạ để đặt anten đúng vị trí Để làm được điều này, việc tính toán hướng của anten là rất quan trọng Một trong những thông số quan trọng để mô tả hướng tính của anten là hàm tính hướng.
Hàm tính hướng là một hàm số thể hiện sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ của anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi, được ký hiệu là f(θ,φ).
Hàm tính hướng được thể hiện ở các dạng sau:
Trong trường hợp tổng quát, hàm tính hướng là hàm véc tơ phức, bao gồm các thành phần theo θ và φ:
Hàm tính hướng biên độ là hàm số thể hiện mối quan hệ giữa biên độ và cường độ của trường bức xạ theo các hướng khảo sát khi khoảng cách khảo sát không thay đổi Cụ thể, nó phản ánh biên độ của hàm tính hướng phức, đặc biệt là mô-đun của hàm này.
Để khảo sát tính hướng của anten và phân tích đồ thị phương hướng, chúng ta thường sử dụng một hàm biên độ chuẩn hóa Hàm này biểu thị biên độ cường độ trường tại hướng khảo sát so với biên độ cường độ trường tại hướng cực đại.
Như vậy giá tri cực đại của hàm biên độ chuẩn hóa sẽ bằng 1
3.2.2 Đồ thị phương hướng và độ rộng búp sóng
Hàm tính hướng cung cấp giá trị cụ thể về tính hướng của anten, nhưng để hình dung trực quan, cần sử dụng đồ thị Đồ thị phương hướng, được vẽ từ hàm tính hướng, mô tả mối quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc công suất bức xạ của anten theo các hướng khác nhau tại một khoảng cách khảo sát cố định Mặc dù đồ thị phương hướng được biểu diễn trong không gian ba chiều, việc hiển thị đầy đủ rất khó khăn Thông thường, nó là một mặt cắt của đồ thị hướng tính ba chiều, thể hiện dưới dạng đồ thị hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc vuông góc, dễ dàng hiển thị trên giấy Để đơn giản hóa, đồ thị phương hướng thường được vẽ từ hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa, gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa của anten, giúp so sánh giữa các anten khác nhau.
Đồ thị phương hướng cho thấy giá trị trường bức xạ thay đổi theo các góc phương hướng khác nhau Để đánh giá hình dạng của đồ thị phương hướng của các anten, ta sử dụng khái niệm độ rộng búp sóng Độ rộng búp sóng được xác định bởi góc giữa hai hướng mà cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi một giá trị nhất định Thông thường, độ rộng búp sóng nửa công suất được sử dụng, là góc giữa hai hướng mà công suất bức xạ giảm một nửa so với công suất cực đại Nếu tính theo cường độ điện trường, độ rộng búp sóng này tương ứng với góc giữa hai hướng mà cường độ điện trường giảm còn một nửa so với giá trị cực đại của anten trong tọa độ cực.
Khi công suất giảm một nửa, độ giảm tương ứng là 3 dB, được tính theo đơn vị decibel (dB) Do đó, độ rộng búp sóng nửa công suất được gọi là độ rộng búp sóng 3 dB, ký hiệu là θ 3dB.
Độ rộng búp sóng của anten thể hiện khả năng tập trung năng lượng bức xạ theo một hướng cụ thể Nếu góc θ3dB nhỏ, anten sẽ có khả năng tập trung công suất bức xạ mạnh hơn.
Hình 3.3: Ví dụ đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ cực
Hình 3.4: Ví dụ đồ thị phương hướng trong hệ tọa độ vuông góc
Hình 3.5: Độ rộng của đồ thị phương hướng 3.2.3 Công suất bức xạ, điện trở bức xạ và hiệu suất của anten
Công suất đặt vào anten P A được cung cấp trực tiếp từ máy phát hoặc qua phi đơ Trong quá trình chuyển đổi năng lượng cao tần thành năng lượng bức xạ sóng điện từ, không thể tránh khỏi các tổn hao do nhiệt từ vật dẫn và chất điện môi của anten, cũng như các mất mát do cảm ứng và che chắn bởi các linh kiện phụ như thanh đỡ bộ chiếu xạ Do đó, công suất tổng bao gồm cả công suất tổn hao P th và công suất bức xạ P bx.
Công suất bức xạ của anten có thể được coi như công suất tiêu hao trên một điện trở tương đương R bx.
Điện trở bức xạ của anten, ký hiệu là Rbx, có tính chất tượng trưng và giúp đánh giá khả năng bức xạ của anten Anten hoạt động như một thiết bị chuyển đổi năng lượng, vì vậy hiệu suất làm việc, ký hiệu là ηA, là một thông số quan trọng Hiệu suất này được tính bằng tỷ số giữa công suất bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten PA.
P (3.6) hay: A bx bx bx th bx th
Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của anten Thông thường hiệu suất của anten luôn nhỏ hơn 1
3.2.4 Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại của anten
Anten có nhiều loại với cấu trúc, hình dáng và kích thước đa dạng Để thể hiện tính hướng của mỗi anten, ngoài độ rộng búp sóng, người ta sử dụng hệ số hướng tính và hệ số khuếch đại Các hệ số này giúp đánh giá tính phương hướng và hiệu quả bức xạ của anten tại một điểm xa trong trường bức xạ, dựa trên các biểu thức hoặc đồ thị so sánh với anten lý tưởng Nhờ đó, việc so sánh và lựa chọn loại anten phù hợp cho tuyến thông tin trở nên dễ dàng hơn.
Anten lý tưởng là loại anten có hiệu suất 100% và khả năng phát sóng điện từ đồng đều ở mọi hướng Nó được coi là nguồn bức xạ vô hướng hoặc một chấn tử đối xứng với chiều dài nửa bước sóng.
Hệ số hướng tính của anten tại một hướng cụ thể được định nghĩa là tỷ lệ giữa mật độ công suất bức xạ của anten đó và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng một hướng, khi khoảng cách được giữ không đổi Điều này chỉ xảy ra khi công suất bức xạ của hai anten là tương đương.
D(θ,φ) là hệ số hướng tính của anten khảo sát ở hướng (θ,φ) với khoảng cách r
Các nguồn bức xạ nguyên tố
Theo lý thuyết trường bức xạ, anten bức xạ sóng điện từ được coi là tập hợp các nguồn bức xạ đơn giản Do đó, khi nghiên cứu anten phức tạp, có thể dựa vào các anten nguyên tố đơn giản để hiểu rõ hơn về cấu trúc và chức năng của chúng.
Dipol điện là một phần tử dẫn diện thẳng, mảnh và có độ dài nhỏ hơn nhiều so với bước sóng công tác (l 0), ngược lại, khi độ dài chấn tử nhỏ hơn độ dài cộng hưởng, điện kháng X 22 sẽ âm (X 22 < 0).
Vì vậy chấn tử phản xạ có độ dài lớn hơn /2, còn chấn tử hướng xạ có độ dài nhỏ hơn
Anten Yagi thường chỉ có một chấn tử phản xạ, khiến trường bức xạ về phía chấn tử này bị yếu đi Nếu thêm một chấn tử phản xạ nữa, hiệu quả sẽ giảm do dòng cảm ứng yếu Để cải thiện khả năng phản xạ, có thể sử dụng mặt phản xạ kim loại, lưới kim loại, hoặc đặt nhiều chấn tử ở khoảng cách từ 0,15λ đến 0,25λ so với chấn tử chủ động.
Số chấn tử dẫn xạ có thể đa dạng, từ 2 đến vài chục, và được kích thích mạnh mẽ nhờ vào trường bức xạ của anten được định hướng về phía chúng Khoảng cách giữa chấn tử chủ động và chấn tử dẫn xạ đầu tiên, cũng như giữa các chấn tử dẫn xạ kề nhau, thường được chọn trong khoảng từ 0,1λ đến 0,35λ.
Chấn tử chủ động thường sử dụng là chấn tử vòng dẹt vì hai lý do chính:
Chấn tử vòng dẹt với chiều dài /2 tạo ra nút điện áp tại điểm cấp điện, cho phép gắn trực tiếp chấn tử lên thanh kim loại mà không cần cách điện.
Chấn tử vòng dẹt lớn có trở kháng vào khoảng 300 , thuận tiện cho việc phối hợp với trở kháng của fide đối xứng Đồ thị phương hướng thực nghiệm của anten Yagi với 8 chấn tử được thể hiện trong hình 4.3, trong đó đường liền nét biểu thị mặt phẳng H (mặt phẳng vuông góc với các chấn tử) và đường đứt nét biểu thị mặt phẳng E (mặt phẳng chứa các chấn tử).
Anten loga - chu kỳ
Để mở rộng dải tần công tác của anten, ta có thể áp dụng nguyên lý tương tự điện động học Nếu đồng thời biến đổi bước sóng và các kích thước của anten theo cùng một tỷ lệ, các đặc tính như đồ thị phương hướng và trở kháng sẽ không thay đổi Nguyên lý này cho phép thiết lập anten không phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiều khu vực có kích thước hình học khác nhau nhưng tỷ lệ với nhau theo một hệ số nhất định Khi anten hoạt động ở một tần số cụ thể, chỉ một khu vực nhất định của anten sẽ tham gia vào quá trình phát sóng.
Miền bức xạ là khu vực được hình thành khi có sự thay đổi tần số công tác, dẫn đến sự dịch chuyển của miền bức xạ đến một miền mới Tỷ lệ các kích thước hình học của các phần tử bức xạ sẽ tương ứng với bước sóng công tác mới Nguyên lý này là cơ sở để cấu tạo anten loga - chu kỳ.
Hình 4.4: Anten loga - chu kỳ thực tế
Anten loga là loại anten được cấu tạo từ nhiều chấn tử với độ dài và khoảng cách khác nhau Anten này được kết nối bằng fide đối xứng hoặc cáp đồng trục, như mô tả trong hình vẽ 4.5.
Hình 4.5: Cấu tạo anten loga - chu kỳ
Kích thước và khoảng cách của các chấn tử biến đổi dần theo một tỷ lệ nhất định
Hệ số tỷ lệ này được gọi là chu kỳ của anten, và được xác định:
Trong đó d là khoảng cách giữa các chấn tử còn l là chiều dài chấn tử
Phiđơ cấp điện d 1 d 2 d 5 Đặc tính của anten lôgarit chu kỳ được xác định bởi hai thông số chủ yếu là: chu kỳ và góc mở
Nếu máy phát làm việc ở một tần số f o nào đó, thì chấn tử có chiều dài l i bằng
Chấn tử cộng hưởng có trở kháng vào thuần trở là 73,1 Ω, trong khi trở kháng vào của các chấn tử khác có thành phần điện kháng Giá trị của thành phần điện kháng này tăng lên khi độ dài của chấn tử khác khác biệt nhiều so với độ dài của chấn tử cộng hưởng, tức là khi chấn tử đó càng xa chấn tử cộng hưởng Do đó, chấn tử cộng hưởng được kích thích mạnh nhất.
Dòng điện trong các chấn tử không cộng hưởng có giá trị nhỏ, khiến trường bức xạ của anten chủ yếu phụ thuộc vào bức xạ của chấn tử cộng hưởng và một số chấn tử lân cận, tạo thành miền bức xạ của anten Dòng điện trong miền bức xạ hình thành do cảm ứng từ chấn tử cộng hưởng và tín hiệu trực tiếp từ fide Các chấn tử phía trước có độ dài ngắn hơn độ dài cộng hưởng, dẫn đến trở kháng mang tính dung kháng và dòng cảm ứng chậm pha hơn Ngược lại, các chấn tử phía sau có độ dài lớn hơn, gây ra trở kháng cảm kháng và dòng cảm ứng sớm pha hơn Đối với dòng điện từ fide, do cách tiếp điện chéo, pha của dòng trong hai chấn tử kề nhau lệch 180 độ cộng với góc lệch pha do truyền sóng Tất cả các yếu tố này dẫn đến dòng tổng hợp trong các chấn tử của miền bức xạ có góc pha giảm dần theo kích thước của anten.
Trong cấu trúc này, các chấn tử phía trước chấn tử cộng hưởng đáp ứng điều kiện chấn tử hướng xạ, trong khi chấn tử phía sau thỏa mãn điều kiện chấn tử phản xạ Bức xạ của anten được định hướng theo trục anten về phía chấn tử ngắn, tương tự như thiết kế của anten Yagi.
Khi anten hoạt động ở tần số thấp hơn (f o), chấn tử cộng hưởng sẽ di chuyển sang chấn tử l i 1 có độ dài lớn hơn Ngược lại, nếu anten hoạt động ở tần số cao hơn (fo/), chấn tử cộng hưởng sẽ chuyển sang chấn tử l i 1 với chiều dài ngắn hơn chấn tử kề bên.
Khi làm việc ở tần số f1, chấn tử cộng hưởng có chiều dài l1, tương ứng với l1 = λ1/2 Nếu tần số giảm xuống f2 = τf1, thì λ2 = λ1/τ, dẫn đến chấn tử cộng hưởng có độ dài l2 = λ2/2 = λ1/2τ = l1/τ Từ đó, ta rút ra mối quan hệ giữa các tần số.
1 n n f f (4.4) sẽ có các chấn tử cộng hưởng tương ứng với các độ dài:
(4.5) n: là số thứ tự của chấn tử f n : là tần số cộng hưởng của chấn tử thứ n l n : là độ dài của chấn tử cộng hưởng thứ n
Khi anten hoạt động ở tần số được xác định bởi công thức (4.4), sẽ xuất hiện một miền bức xạ trên anten Trong miền này, chấn tử phát xạ chính có độ dài được tính theo công thức (4.5).
Miền bức xạ của anten logarit chu kỳ sẽ thay đổi khi tần số công tác thay đổi, tuy nhiên, hướng bức xạ cực đại của anten vẫn giữ nguyên.
Nếu lấy logarit biểu thức (4.4) ta nhận được:
Khi biểu thị tần số theo logarit, tần số cộng hưởng của anten thay đổi một lượng bằng ln, dẫn đến việc anten được gọi là anten logarit chu kỳ Đồ thị phương hướng của anten phụ thuộc vào số chấn tử của miền bức xạ tác dụng (thường từ 3 đến 5) và tương quan biên độ, pha của dòng điện trong các chấn tử Các yếu tố này liên quan đến thông số hình học chu kỳ và góc mở anten Khi tăng (cố định ), đồ thị phương hướng sẽ hẹp lại do số chấn tử tăng Tuy nhiên, nếu tăng quá lớn, tính hướng sẽ xấu đi vì kích thước miền bức xạ giảm do các chấn tử quá gần nhau Ngược lại, khi giảm (cố định ) đến một giới hạn nhất định, đồ thị phương hướng cũng sẽ hẹp lại do khoảng cách giữa các chấn tử tăng, làm tăng kích thước miền bức xạ tác dụng.
Các giá trị tới hạn của và thường là:
Đồ thị quan hệ giữa góc nửa công suất trong hai mặt phẳng E và H với các thông số và khác nhau được thể hiện trong hình 4.6 Qua đồ thị, có thể nhận thấy rằng phương hướng của anten trong mặt phẳng H rộng hơn so với mặt phẳng E, điều này xuất phát từ tính hướng của từng chấn tử trong anten.
Anten loa
4.4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Anten loa được thiết kế từ anten ống dẫn sóng, là loại anten bức xạ mặt đơn giản nhất Theo lý thuyết ống dẫn sóng, khi sóng đến miệng ống dẫn hở, một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại trong khi phần còn lại bức xạ ra không gian Trường tại miệng ống là sự kết hợp của sóng tới và sóng phản xạ Bằng cách mở rộng kích thước miệng ống theo nhiều phương án khác nhau, ta có thể tạo ra các kiểu anten loa đa dạng.
Nếu ống dẫn sóng có hình dạng chữ nhật và kích thước miệng ống được mở rộng trong mặt phẳng chứa vectơ từ trường, thì loa sẽ được gọi là loa mở theo mặt H, thường được viết tắt là loa.
Nếu ống dẫn sóng là chữ nhật và kích thước được mở rộng trong mặt phẳng chứa vectơ điện trường ta được loa mở theo mặt điện trường (loa E)
Nếu ống dẫn sóng là chữ nhật và kích thước được mở rộng theo cả hai mặt phẳng chứa vectơ điện trường, từ trường ta được loa hình tháp
Nếu ống dẫn sóng là hình tròn ta có loa hình nón a) b) c)
Hình 4.7 minh họa các loại anten loa, bao gồm nón vách nhẵn, nón vách gấp nếp, loa hình tháp, loa E và loa H Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của anten loa, chúng ta cần xem xét mặt cắt dọc của anten loa như được thể hiện trong hình 4.8.
Năng lượng cao tần được truyền qua ống dẫn sóng đến cổ loa dưới dạng sóng phẳng, trong đó một phần năng lượng phản xạ trở lại, trong khi phần lớn tiếp tục di chuyển theo thân loa dưới dạng sóng phân kỳ đến miệng loa Tại miệng loa, hầu hết năng lượng được bức xạ ra ngoài, nhưng vẫn có một phần phản xạ lại Sự phản xạ sóng ở cổ loa tăng lên khi góc mở của loa lớn, trong khi phản xạ tại miệng loa giảm khi kích thước miệng loa lớn Sóng truyền trong loa có thể được coi là sóng cầu với tâm pha tại O, dẫn đến mặt phẳng miệng loa không phải là mặt đồng pha.
Để tạo ra bức xạ mạnh từ loa, cần có diện tích miệng loa lớn, điều này yêu cầu góc mở của loa phải lớn Tuy nhiên, việc này dẫn đến sóng phản xạ tại miệng loa tăng lên, gây ra sự sai pha giữa các phần tử bức xạ, từ đó làm méo pha theo hướng trục z.
Mặt cắt dọc của anten loa cho thấy ảnh hưởng của góc mở và độ dài R đến tính hướng của anten Để tối ưu hóa tính hướng của anten loa, cần lựa chọn góc mở và độ dài R phù hợp Trong trường hợp loa E, việc tính toán này đặc biệt quan trọng để đạt được hiệu suất tốt nhất cho anten.
Chiều dài từ tâm pha O đến mép loa L được xác định theo công thức:
Hiệu đường đi của tia sóng từ tâm pha đến mép miệng loa với tâm loa:
Sự lệch pha giữa các phần tử ở mép loa và tâm loa được xác định bởi góc k L Để đảm bảo tính hướng tốt trong mặt phẳng E, góc lệch pha cho phép cần phải thỏa mãn điều kiện k L ≤ π/2.
Trong mặt phẳng H, điện trường E tại mép loa bằng 0 cho thấy rằng các phần tử bức xạ xa tâm loa có cường độ yếu hơn, do thành phần điện trường tiếp tuyến giảm dần đến 0 Điều này dẫn đến góc lệch pha giữa phần tử bức xạ ở tâm loa và các phần tử ở mép loa lớn hơn so với trường hợp trong mặt phẳng E, với k.ΔL ≤ 0,75π.
(4.8) c Xét trường hợp loa hình nón
Với R0 làbán kính của miệng loa
Loa có chiều dài loa R thỏa mãn điều kiện bằng trong các biểu thức (4.7), (4.8), (4.9) được gọi là loa tối ưu, ta có
Hình 4.9: Đồ thị phương hướng của anten loa
4.4.2 Tính hướng của anten loa Đối với anten loa E , độ rộng búp sóng được xác định:
(4.10) Đối với anten loa H , độ rộng búp sóng được xác định
(4.11) Để độ rộng búp sóng chính trong hai mặt phẳng E và H bằng nhau thì các cạnh của loa phải thỏa mãn điều kiện a 1 = 1,5 b 1
Hệ số hướng tính của anten loa được tính theo biểu thức:
Diện tích của miệng loa được ký hiệu là S, trong khi hệ số sử dụng bề mặt miệng loa được biểu thị bằng Hệ số này luôn nhỏ hơn 1 do sự khác biệt về biên độ và pha của trường trên miệng loa so với tâm loa Để cải thiện hệ số hướng tính của anten loa, cần tăng kích thước miệng loa Chẳng hạn, để đạt được D = 4500 (36,6 dBi) với bước sóng 5 cm, kích thước miệng loa phải là a1 = 1,5 m và b1 = 1 m, đồng thời chiều dài loa phải lớn hơn 10 m.
Anten loa thường được sử dụng làm anten bức xạ sơ cấp cho các loại anten có mặt bức xạ thứ cấp như anten parabol và anten cassegrain Ngoài ra, nó cũng được áp dụng làm anten độc lập trong các hệ thống thông tin vệ tinh, với kích thước lớn.
Anten gương
Nguyên lý hoạt động của anten gương tương tự như gương quang học, chủ yếu được khảo sát trong chế độ phát sóng Sóng sơ cấp, với mặt sóng và hướng truyền xác định, sau khi phản xạ từ mặt gương sẽ chuyển thành sóng thứ cấp với mặt sóng và hướng truyền thay đổi theo yêu cầu Sự biến đổi này nhờ vào hình dạng và cấu trúc đặc biệt của mặt phản xạ, gọi là gương Thông thường, gương có nhiệm vụ chuyển đổi sóng cầu hoặc sóng trụ từ nguồn sơ cấp với tính hướng kém thành sóng phẳng hoặc gần phẳng, tập trung năng lượng trong không gian hẹp với tính hướng mong muốn Nguồn bức xạ sơ cấp được gọi là bộ chiếu xạ, trong đó gương phản xạ phổ biến nhất là gương parabol, bên cạnh một số ít sử dụng gương hyperbol.
Anten gương parabol được sử dụng phổ biến trong thông tin vi ba và thông tin vệ tinh
Hình 4.10: Anten gương parabol thưc tế
Anten bao gồm hai phần chính: một mặt phản xạ hình gương tròn xoay có dạng cong theo đường parabol, giúp hội tụ năng lượng vào một hướng nhất định; và một bộ chiếu xạ đặt tại tiêu điểm F của gương, thực chất là một anten sơ cấp, phát sóng cầu với gương parabol tròn xoay hoặc sóng thẳng dọc theo trục tiêu với gương parabol trụ.
Mặt cắt dọc của anten gương parabol cho thấy tính chất hình học của mặt phản xạ parabol tròn xoay Parabol được tạo ra từ mặt phản xạ trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng mở và đi qua tiêu điểm F, với đỉnh O và trục FO Hai tia sóng phát từ tiêu điểm, một tia theo quang trục và một tia phản xạ tại điểm A trên mặt gương, cho thấy FO + OO’ = FA + AB = k, cho thấy sóng phát từ tiêu điểm có phân bố pha đồng đều Điều này dẫn đến việc mặt sóng trở thành mặt phẳng, cho phép phát xạ từ mặt phản xạ parabol giống như phát xạ sóng phẳng từ mặt phẳng vuông góc với trục Đường chuẩn, vuông góc với FO và đi qua điểm đối xứng với F, có độ dài bằng đường kính của miệng gương parabol, hay còn gọi là đường kính của anten parabol Nguyên lý đảo lẫn cũng cho thấy các tính chất này áp dụng cho anten trong chế độ thu.
Tỷ số giữa đường kính của miệng gương (d) và tiêu điểm là một yếu tố quan trọng cần được xem xét Việc hiểu rõ tỷ số này giúp nâng cao hiệu quả sử dụng gương trong các ứng dụng quang học.
Vị trí của tiêu điểm so với mặt phản xạ thay đổi theo các giá trị f/d Khi f/d < 0,25, anten sơ cấp nằm giữa mặt phản xạ và miệng gương, dẫn đến sự chiếu xạ giảm mạnh ở biên mặt phản xạ Ngược lại, với f/d > 0,25, anten sơ cấp nằm ngoài miệng gương, làm cho chiếu xạ trở nên đồng đều hơn, mặc dù một phần năng lượng bị tràn ra ngoài bộ phản xạ Trong chế độ phát, hiện tượng tràn này xảy ra khi anten sơ cấp phát xạ hướng về bộ phản xạ nhưng vượt ra ngoài góc 2 0.
Hình 4.13: Vị trí tiêu điểm đối với các giá trị f/d khác nhau Đồ thị phương hướng của anten parabol
Năng lượng sóng điện từ phản xạ từ gương tập trung quanh quang trục, tạo thành búp sóng chính Tuy nhiên, sự che chắn của các thanh đỡ và bộ chiếu xạ gây ra miền tối phía sau bộ chiếu xạ, làm cho một phần sóng truyền ra ngoài mặt gương Mặt phản xạ không hoàn toàn phẳng dẫn đến hiện tượng tán xạ năng lượng Vì vậy, ngoài búp sóng chính, anten gương parabol còn phát ra các búp sóng phụ Độ rộng búp sóng chính, hay góc nửa công suất của đồ thị phương hướng, được xác định bằng công thức cụ thể.
(4.15) trong đó: f là tần số công tác (GHz), d là đường kính miệng gương (m), bước sóng công tác (m)
Hình 4.14: Đồ thị phương hướng của anten parabol trong tọa độ vuông góc
Hiệu suất làm việc của anten parabol chỉ đạt khoảng 55-70% công suất bức xạ từ bộ chiếu xạ do một phần năng lượng sóng không được phản xạ hoàn toàn từ gương parabol Nguyên nhân là do gương hấp thụ một phần năng lượng và bị tán xạ ở mép do bề mặt không hoàn hảo Thêm vào đó, bộ chiếu xạ đặt ở giữa gương cùng với giá đỡ cũng che chắn một phần miệng gương, tạo ra vùng tối đối diện với gương.
Hệ số hướng tính và hệ số khuếch đạicủa anten gương parabol tròn xoay:
(4.17) trong đó: d: đường kính miệng gương (m)
: hiệu suất làm việc của anten
S: là diện tích thực của miệng anten (S = d 2 /4)
Nếu biểu thị theo đơn vị decibel ta có:
Chú ý: Hệ số hướng tính D và hệ số khuếch đại G trong các công thức trên được tính ở hướng bức xạ cực đại
Một anten parabol với đường kính 2m, công suất bức xạ 5 W, tần số 6 GHz và hiệu suất làm việc 55% cần xác định các thông số quan trọng Đầu tiên, độ rộng búp sóng chính của anten sẽ được tính toán dựa trên kích thước và tần số Tiếp theo, hệ số khuếch đại của anten sẽ được xác định để đánh giá khả năng tăng cường tín hiệu Cuối cùng, công suất bức xạ đẳng hướng tương đương sẽ được tính để so sánh với các anten khác.
Giải a Áp dụng công thức (4.14) ta có độ rộng búp sóng nửa công suất là:
b Hệ số khuếch đại được tính theo công thức (4.17) là:
c Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương:
Một anten parabol có đường kính 5m và hiệu suất làm việc 0,65 hoạt động tại tần số 6 GHz có diện tích mặt mở hiệu dụng được tính toán Hệ số khuếch đại của anten cũng được xác định, cùng với độ rộng búp sóng chính của anten.
Một anten parabol có đường kính 3 m và hiệu suất 0,55 hoạt động ở tần số 2 GHz có diện tích mặt mở hiệu dụng được tính toán Hệ số khuếch đại của anten cũng cần được xác định để đánh giá khả năng thu tín hiệu Cuối cùng, việc xác định độ rộng búp sóng chính sẽ giúp hiểu rõ hơn về khả năng định hướng của anten.
[3] Một anten gương parabol có hệ số khuếch đại là 50 dBi, hiệu suất làm việc 60 % Tính góc nửa công suất
[4] Một anten có góc nửa công suất bằng 2 0 Xác định hệ số khuếch đại khi biết hiệu suất làm việc của anten là 55 %
Một anten phát có hệ số khuếch đại 40 dBi cần có công suất phát đủ để anten thu gương parabol đường kính 0,9 m, với hiệu suất 0,55, nhận được công suất -70 dBW từ khoảng cách 50 km, giả thiết sóng truyền trong không gian tự do.
[6] Anten gương parabol có hệ số khuếch đạilà 40 dBi, hiệu suất làm việc 60 %, làm việc tại tần số 4 GHz a Tính đường kính miệng gương b Độ rộng búp sóng 3dB
Một anten phát có hệ số khuếch đại 30 dBi và công suất phát 5 W Tại cự ly 50 km, anten thu gương parabol có đường kính miệng gương 1,5 m được sử dụng Cần tính công suất anten thu nhận được và tổn hao truyền sóng trong không gian tự do khi tín hiệu được truyền từ anten phát đến anten thu.
[8] Một anten gương parabol có hệ số khuếch đại là 30 dBi, hiệu suất làm việc 60 % Tính góc nửa công suất
[9] Một anten có góc nửa công suất bằng 1,2 0 Xác định hệ số khuếch đại khi biết hiệu suất làm việc của anten là 55 %
[10] Thiết kế anten Yagi 7 chấn tử
[11] Mô phỏng, thiết kế anten Yagi hoạt động ở tần số 430 MHz
I GIỚI THIỆU ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC
ST-8261 là bộ kit thực hành lý tưởng cho sinh viên nghiên cứu các đặc tính của anten khác nhau Bộ thực hành này cho phép sinh viên tự đọc và vẽ đồ thị cực, giúp họ hiểu sâu hơn về môn học Ngoài ra, sinh viên có thể dừng và lặp lại quá trình đọc khi cần thiết để nắm bắt kiến thức một cách hiệu quả.
Tất cả anten đều được sản xuất từ các thanh dẫn điện chất lượng cao, được phủ lớp mạ crôm bền bỉ Chúng được lắp đặt trên kính epoxy PCB, giúp việc lắp ráp và tháo dỡ trở nên dễ dàng.
Các lĩnh vực thí nghiệm và nghiên cứu:
- Đồ thị cực và phân cực của các anten khác nhau
- Điều chế và giải điều chế sóng
- Độ rộng búp sóng anten
- Bức xạ của anten theo khoảng cách Đặc điểm:
- Bộ thực hành thân thiện, đơn giản, khép kín
- Thiết lập bằng tay để đo và vẽ đồ thị phương hướng của 21 anten khác nhau
- Bộ tạo tín hiệu âm tần và RF on board
- Dây chêm phối hợp trở kháng với anten on board
- Các đặc tính và đo SWR
- Các mức phát và thu được quan sát trên đồng hồ số
- Các khối chức năng được vẽ bằng các sơ đồ khối on board
Bộ thực hành anten (ST-8621) bao gồm nhiều thành phần quan trọng như: đơn vị chính, bộ tách sóng, anten, giá đỡ cho anten phát, giá đỡ cho bộ tách sóng, cáp RF-RF (đực-đực), đầu nối RF-RF-Tee (cái-cái-đực), dây nối 4mm-4mm, tài liệu hướng dẫn thực hành, tài liệu thực hành cho sinh viên và giấy vẽ đồ thị cực (bộ 22) để vẽ đặc tính bức xạ của anten Đơn vị chính được sơn tĩnh điện, thiết kế để sử dụng trên bàn với bảng điều khiển, bao gồm các tính năng cần thiết cho việc thực hành.
1 Bộ tạo tín hiệu RF
2 Bộ tạo tín hiệu âm tần
3 Coupler định hướng với đồng hồ đo số
4 Dây chêm phối hợp trở kháng
5 Bộ chia góc (đĩa tròn được chia theo độ để anten xoay)
6 Công tắc nguồn ON/OFF
7 Nguồn cung cấp AC (9V) on board cho bộ tách sóng
Bảng điều khiển trước (Front Panel)
Bộ tạo tín hiệu RF (RF Generator):