CHƯƠNG 3 PHÂN CỰC SÓNG VÀ ANTEN TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

CHƯƠNG 3 PHÂN CỰC SÓNG VÀ ANTEN TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

CHƯƠNG 3 PHÂN CỰC SÓNG VÀ ANTEN TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

ThS Trần Bá Nhiệm

Các chủ đề

• Các dạng phân cực sóng được sử dụng

trong thông tin vệ tinh

• Các anten loa được sử dụng làm anten thông tin vệ tinh hay làm các bộ tiếp sóng cho các

bộ phản xạ

• Các anten parabol sử dụng bộ phản xạ đơn

và bộ phản xạ kép trong các hệ thống thông tin vệ tinh

• Dàn loa tiếp sóng

• Bài tập

Phân cực sóng

• Vùng trường xa là vùng tại khoảng cáchlớn hơn 2D2/λ so với anten, trong đó D làkích thước một chiều lớn nhất của antencòn λ là bước sóng

• Trong vùng trường xa của một anten phát,sóng điện từ có dạng sóng điện từ ngang(TEM)

Quy tắc bàn tay phải

Phân cực sóng

• , và tuân theo quy tắc

bàn tay phải Với :

Phân cực sóng

• Hầu hết truyền dẫn vô tuyến sử dụng

phân cực tuyến tính, trong đó:

– phân cực đứng có vector điện trường vuông góc với mặt đất

– phân cực ngang có vector điện trường song song với mặt đất.

Phân cực sóng

• Xét trường hợp khi cả hai trường đều cómặt đồng thời Chúng sẽ cộng với nhautheo vectơ và trường tổng sẽ là vectơ ,hợp với trục ngang một góc được xác

định như sau:

 = arctang

Các thành phần ngang và đứng

của phân cực tuyến tính

Anten Yagi

• Sử dụng rộng rãi ở băng sóng ngắn cũng

như băng sóng cực ngắn Ưu điểm về thông

số điện, đơn giản về cấu trúc, rất thích hợp với các loại TV gia đình

Anten Yagi

• Quan hệ về dòng điện trong chấn tử chủ động I1

và chấn tử thụ động I2 được biểu thị qua biểu

Anten Yagi

• Đồ thị phương hướng với 8 chấn tử

Anten loga

• Cấu tạo từ nhiều chấn tử có độ dài khácnhau và đặt ở khoảng cách khác nhau.Anten được tiếp điện bằng fide đối xứnghay cáp đồng trục

Anten loga

• 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, theo hệ thức:

di là khoảng cách giữa các chấn tử còn li là

chiều dài chấn tử

Anten khe

• Anten khe được sử dụng chủ yếu ở băng vi

ba Trong thực tế khe bức xạ có dạng chữ nhật (khe thẳng) hoặc hình tròn (khe hình vành khăn) và được cắt trên các mặt kim

loại có hình dạng và kích thước khác nhau: trên thành hốc cộng hưởng, thành ống dẫn sóng hình chữ nhật hoặc tròn, trên các tấm kim loại phẳng, cánh máy bay kích thước của mặt kim loại có thể khá lớn so với bước sóng nhưng cũng có thể chỉ vào khoảng vài bước sóng công tác

Anten khe - khe nửa sóng

• Nếu trên thành ống dẫn sóng hay hốc

cộng hưởng cắt một khe hẹp có chiều dàibằng một nửa bước sóng công tác thì

chúng ta sẽ có một anten khe nửa sóng,nghĩa là khe chỉ bức xạ vào một nửa

không gian

Anten khe - khe nửa sóng

• Dưới tác dụng của sức điện động đặt vàokhe, trong khe sẽ xuất hiện các đường

sức điện trường hướng vuông góc với haimép khe Điện áp giữa hai mép khe bằngtích của cường độ điện trường với độ

rộng của khe (U = E.b) Ta có thể coi gầnđúng mỗi nửa khe giống như một đoạn

đường dây song hành mà hai nhánh dây

là hai mép khe được nối tắt đầu cuối (tại

 = ± ⁄ )

Anten gain

• Gain (độ lợi) của anten phụ thuộc vào

effective surface - bề mặt tác động (do đóphụ thuộc vào kích thước và dạng anten)

• Mối tương quan giữa dB và dBm được

thể hiện qua công thức:

x = 10log10(1000P)Hay x = 10log10P + 30Với P tính bằng Wat và x tính bằng dBm

Effective Isotropic Radiated Power

(EIRP)

• Dành cho anten đẳng hướng

• EIRP (dBm) = công suất truyền (dBm) – mất mát trên đường truyền (dB) + anten gain

(dBi)

Effective Isotropic Radiated Power

Effective Isotropic Radiated Power

(EIRP)

Pout(dBm) = 10 log10 (Pout(mW))

LdB = 10 log10(Pout(mW) / Pinp(mW))

Pinp(mW) - input power of the antenna)

GdB = 10 log10(EIRP (mW) / Pinp(mW))

Effective Radiated Power (ERP)

• Có tên gọi là ERP dành riêng cho anten

Bài tập

Giải thích tại sao độ suy hao của tín hiệu đạt mức tối

đa khi sóng mang đa đường (multipath) lệch pha

nhau 180 0 Cho biết biểu thức biểu diễn sóng mang

là E(x,t) = A sin (2  f0 (t-x/c) +  )

Giải:

E(x1,t) = A sin (2  f0 (t-x1/c) +  )

E(x2,t) = A sin (2  f0 (t-x2/c) +  +  )

Đo tại cùng một điểm nên x1 = x2.

Sóng tổng hợp tại điểm đang xét là:

E(x1,t) + E(x2,t) = A sin (2  f0 (t-x1/c) +  ) + A sin (2  f0

(t-x1/c) +  +  ) = A sin (2  f0 (t-x1/c) +  ) - A sin (2  f0 (t-x1/c) +  ) = 0

Như vậy tại điểm này sóng bị triệt tiêu

Bài tập

Công suất sóng tại một anten là 1,27W,

công suất phát tại vệ tinh là 0,08W Tính độlợi (gain) của anten đó

Bài tập

Độ lợi (gain) của anten đạt được là 6dB.Vậy hệ số khuếch đại của anten là baonhiêu?

Bài tập

Độ lợi (gain) của anten đạt được là 6dBd.Công suất nhận được là 1W ERP là baonhiêu? Bỏ qua mất mát

Bài tập

Công suất nhận được của một anten lưỡngcực là 1W EIRP là bao nhiêu? Bỏ qua mấtmát

Bài tậpMột sóng được truyền với công suất 0,1W tại tần số 2GHz thông qua anten parabol có

đường kính 1,2m Gain của anten là bao

nhiêu?

Giải:

G = 4  × 0,56A / λ 2 = 7A / λ 2 = 7Af 2 / c 2 = (7 ×  × (0,6) 2 × (2×10 9 ) 2 ]/(3 × 10 8 ) 2 = 351,85

với 4×3,14×0,56  7

A =  × (0,6) 2

λ = c/f

Do đó GdB = 10 log10(351,85) = 25,46 dBi

Bài tậpMột sóng được truyền với công suất 0,1W tại tần số 2GHz thông qua anten parabol có

đường kính 1,2m Tính EIRP của anten này?

Giải:

G = 4  × 0,56A / λ 2 = 7A / λ 2 = 7Af 2 / c 2 = (7 × 

× (0,6) 2 × (2×10 9 ) 2 ]/(3 × 10 8 ) 2 = 351,85 (xem tính toán của bài trước)

Do đó EIRP = 0,1 W × 351,85 = 35,2 W

Bài tậpTrong thực tế có một loại anten gọi là “whip” có bước sóng bằng ½ chiều dài cánh anten Nếu chiều dài cánh từ 1cm đến 5m thì dải tần số mà anten đó bắt được là bao nhiêu?

Bài tậpPhổ tần số tiếng nói của con người khoảng

300Hz Để truyền ta phải chuyển sang sóng điện từ và điều chế ở tần số cao hơn, nhằm giảm kích thước anten Tính kích thước anten nếu nó bằng ½ bước sóng của tần số trên.

Bài tập

Phổ tần số tiếng nói của con người khoảng300Hz Giả sử kích thước anten là 1m bằngvới bước sóng Tính tần số để phát tín hiệutrên

Giải:

Theo giả thiết ta có: λ = 1m

 f = c/λ = (3 × 108 m/s)/(1 m) = 300 MHz

Bài tập

Con người có thể nhận được sóng radio

trong răng của họ Giả sử khối trám răng cókích thước 2,5mm, coi như là anten, có

bước sóng bằng 2 lần kích thước Tần sốsóng nào có thể bắt được?

Giải:

λ = 2 × 2,5 × 10 –3 m = 5 × 10 –3 m

 f = c/λ = (3 × 10 8 m/s)/( 5 × 10 -3 m)

= 6 × 10 10 Hz = 60 GHz

Bài tậpMột sóng radio có tần số 5,8GHz Công suất

truyền là 100mW, gain của anten là 16dBi, độ nhạy là -85dBm với tốc độ truyền 6Mbit/s Giả

sử hai anten nằm trên LOS và không kể các

mất mát khác Tính vùng lan truyền tối đa?

Bài tập

Xem xét một vùng lan truyền sóng radio cótần số 5,8GHz với bán kính Fresnel zoneđược tính tại điểm giữa Tính toán độ caocần thiết để đặt anten sao cho sóng radiokhông bị ngăn cản bởi mặt đất?

Giải:

Tính toán như bài trước ta được:  = 51,7 mm

Và do giả thiết suy ra: d1 = d2 = d /2 = 14,57 km Đồng thời: = 

 r = 19,4 m

Theo Friis ta có: Afree = 10 log10 (4  d /  ) 2

Và Afree = 10 log10 (Ptruyền / Pnhận)

 10 log10 (Ptruyền / Pnhận) = 10 log10 (4  d /  ) 2

 10 log10 (Ptruyền / Pnhận) = 10 log10 (4  d f / c) 2

 Afree = 10 log10 (Ptruyền / Pnhận)

Bài tậpNếu tăng tần số hoặc tăng khoảng cách giữa

bộ truyền và nhận lên gấp 2 thì công suất nhận được lúc này là P’nhận.

Lúc này ta có:

10 log10 (Ptruyền / P’nhận) = 10 log10 (4  2 d f / c) 2

 10 log10 (Ptruyền / P’nhận) = 10 log10 (Ptruyền /

Pnhận) + 10 log10 (2 2 )

 10 log10 (P’nhận / Pnhận) = -10 log10 (2 2 )  6dB Vậy độ suy hao công suất nhận được lúc này

là 6dB.

Bài tập

Xét quá trình truyền thông giữa 2 vệ tinh, bỏ

qua suy hao trong không gian, để tăng cường công suất nhận được, có 2 lựa chọn:

– Dùng tần số cao hơn (ví dụ: tăng gấp 2)

– Tăng bề mặt tác động của anten (ví dụ: tăng gấp 2)

• Hỏi giải pháp nào tăng công suất tốt hơn?

• Mức độ cải thiện tối ưu hơn hay như nhau?

• Tính gain đạt được trong mỗi giải pháp?

Bài tập

Giải:

– Tăng gấp 2 tần số hiện tại thì gain đạt được là

+6dB tại cả anten truyền và nhận, nhưng gain suy hao là -6dB Như vậy link budget là: (+6dB) + (+6dB) + (-6dB) = +6dB

– Tăng gấp 2 bề mặt tác động của anten cho phép

gain tăng gấp 2 Gain đạt được là +3dB tại cả anten truyền và nhận, do đó link budget là +6dB – Cả hai giải pháp có gain như nhau.

– Tuy nhiên không thể chọn giải pháp thứ nhất vì

vấn đề bản quyền tần số