đồ án tốt nghiệp phân tích và thiết kế anten cassegrain cho các trạm vệ tinh mặt đất

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 sóng điện từ. Điện trường và từ trường đồng thời tồn tại trong không gian thống nhất tạo thành trường điện từ. Trường điện từ là một dạng vật chất cơ bản, chuyển động với vận tốc c trong mỗi hệ quy chiếu quán tính trong chân không; 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 chất mang điện. Trường điện từ có mang năng lượng và nhiệt độ: )DHBE( 2 1 W += ( 3 m J ) Trường điện từ đặc trưng bởi các đại lượng sau : E : vector cường độ điện trường ( m V ) D : Vector cảm ứng điện ( 2 m C ) B : Vector cảm ứng từ ( 2 m Wb ) H : Vector cường độ từ trường ( m A ) Trường điện từ được biểu diễn qua hệ thống phương trình Maxwell . rot E = - t B ∂ ∂ (1.1) t D JHrot ∂ ∂ += (1.2) ρ=Ddiv (1.3) 0Bdiv = (1.4) Ngoài ra còn có phương trình liên hệ : EED r εε=ε= ο ( 2 m C ) (1.5) HHB r µµ=µ= ο ( T m Vs 2 = ) (1.6) EJ γ= ( 2 m A ) (1.7) J :thông lượng vector mật độ dòng dẫn ( 2 m A ) ρ : phân bố điện tích khối ( 3 m C ) γ : độ dẫn điện của môi trường dẫn ( m s m 1 = Ω ) :ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường ( m A ) Đối với môi trường chân không ) m F ( 36 10 9 π =ε=ε − ο 101 r ÷=ε :các điện môi thông thường 1 r =ε : không khí 43 r 1010 ÷=ε : một số muối senhet :µ hệ số từ thẩm của môi trường ( m H ) 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 nghóa hệ phương trình Maxwell. - Phương trình Maxwell (1.1)và (1.2) nêu rõ từ trường và điện trường 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 hai mặt thể hiện điện trường và từ trường. II. Sóng điện từ : Phương trình sóng điện từ có dạng. E = Eo cos( t - V x ) Tương tự : B = Bo cos( 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 và từ trường lan truyền trong không gian dưới dạng sóng . Vậy sóng điện từ là trường điện từ biến thiên truyền đi trong không gian. Sự lan truyền của sóng điện từ thể hiện qua sự lan truyền năng lượng điện từ, các cường độ trường (sóng E, sóng H )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 từ phẳng là sóng điện từ có mặt đồng pha là mặt phẳng, phương truyền của sóng phẳng ở mọi nơi đều vuông góc với một mặt phẳng xác đònh. Sóng điện từ được gọi là đơn sắc hay đều hòa nếu các vector cường độ điện trường, từ trường biến đổi hình sin theo thời gian với một tần số wxác đònh. - Sóng phẳng gọi là sóng phẳng đồng nhất nếu vector E,H của sóng phụ thuộc chỉ một tọa độ không gian. - Sóng trụ tròn là dạng sóng mà trường và năng lượng lan truyền theo chiều bán kính r tỏa từ một trục ra không gian xung quanh hoặc hướng vào trục. Tính chất của sóng điện từ tồn tại trong môi trường chất và trong môi trường chân không. a. Sóng điện từ có chức năng: - Tạo chùm tia công suất theo một hướng đònh 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 đònh 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 trò 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 dòch chuyển của các mặt đẳng pha được gọi là vận tốc pha p v (hay là vận tốc truyền năng lượng của trường (cả điện và từ kèm theo nhau). β ω = p v (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 điện từ. - Năng thông là năng lượng truyền đi một đơn vò diện tích trong một đơn vò thời gian. Đònh nghóa :Vectơ Poynting. Là vector mật độ dòng công suất điện từ, vector đó bằng công suất điện từ chảy qua một đơn vò diện tích đặt vuông góc với dòng chảy ExH=δ 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 thống các phương trình Maxwell là: rot H = Eγ + t D ∂ ∂ rot E = - t B ∂ ∂ 0Bdiv = ρ=Ddiv Nếu nguồn trường biến thiên theo qui luật điều hòa . jwt )eERe(E = (1.9) Re là phần thực của đại lượng phức. Từ các phương trình liên hệ, lấy đạo hàm (1.9), kết hợp với các phương trình liên hệ và so sánh với phương trình Maxwell ta có: ) m F ()i1( p εω 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 bò môi trường hấp thụ làm suy giảm biên độ. Mức độ suy giảm theo hàm mủ đặc trưng bởi thừa số với σ = ρ λ π =ρ 2 c w (1.10) là hệ số hấp thụ. 4. Điện trường và từ trường truyền đi với vận tốc giống nhau v= c/n (m/s). 5. Ở một điểm trong không gian từ trường lệch pha với điện trường một góc. ϕ = arctg n ρ (độ) 6. Biên độ cường độ điện trường và từ trường có quan hệ với nhau bởi biểu thức : H m = π ρ+ 120 n 22 E m ( m A ) Qua biểu thức của hệ số hấp thu (1.10)ï ta thấy rằng khi điện dẫn càng tăng và bước sóng càng ngắn thì hấp thụ càng nhiều . Truyền sóng qua môi trường bán dẫn điện (mặt đất, mặt biển) 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 động khác. Có thể nói một cách gần đúng, chuyển động sóng là bao gồm sự kế tiếp liên tục những đỉnh sóng và đáy sóng với những khoảng cách bằng nhau và chuyển động theo một tốc độ cố đònh. Ví dụ ta nhìn một mảnh gỗ nổi trên mặt nước bò nâng lên và hạ xuống khi sóng đi qua, nhưng nếu không có gió và dòng nước thì nó sẽ không dòch 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, tònh tiến qua môi trường (trong trường hợp này là biển) với một tốc độ cố đònh nhưng bản thân môi trường thì không dòch 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 đònh 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 quan hệ 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 ra với tốc độ cố đònh ở mọi hướng nếu như nó không bò cản trở. Sóng vô tuyến có đầy đủ các đặc tính vừa mô tả khác nhau về bản chất ở chổ sóng vô tuyến là sóng điện từ nó tạo nên bởi trường điện và trường từ, mà không phải là chấn động cơ học. Sóng điện từ có đặc tính với sóng ánh sáng, mặc dù bước sóng của chúng dài hơn yếu tố này ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của chúng. Khi nói đến 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/ 2 m . Sự tồn tại của năng lượng trong sóng điện từ được chứng minh bởi một sự thực là nó cảm ứng dòng điện trong vật chất mà nó tiếp xúc. Sóng vô tuyến có trục điện và trục từ vuông góc nhau. Sự đònh hướng các trục này trong không gian gọi là phân cực và chúng đựơc biểu diễn theo hướng của trục điện. Bước sóng của sóng vô tuyến hiện nay thường nằm trong khoảng 20.000m đến 4mm . Tốc độ của chúng trong không gian tự do là cố đònh khoảng 300 triệu mét hoặc 161800 hải lý trên giây. Giá trò này được sử dụng rộng rãi khi xét sự truyền lan của sóng trong khí quyển. Vì tốc độ là cố đònh, 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 bước sóng 1500m. λ = c f , hoặc tần số = Hz000.200 500.1 000.000.300 = Tần số sóng vô tuyến thường được đo bằng các bội số của Hz như: 1 kilôhec (Khz) = 10 3 Hz, 1mêgahec (Mhz) = 10 6 Hz, 1gigahec (Ghz)=10 9 Hz. Đối với một khoảng cách thời gian rất ngắn, thời gian thường được 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 chất chung của sóng vô tuyến. Thuộc tính của chúng phụ thuộc rất nhiều vào 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 tia theo một hướng nhất đònh và có thể bò phản xạ, khúc xạ, tán xạ hay nhiễu xạ giống như sóng ánh sáng tùy thuộc vào bản chất môi trường mà chúng đi qua và những mục tiêu mà chúng tiếp xúc. 2. Sự đònh hướng. Ta chỉ xét thời điểm mà lúc sóng bắt đầu truyền trong không gian. Kích thước cần thiết của bộ phản xạ để tập trung sóng vô tuyến vào một chùm tia với độ rộng cho trước, phụ thuộc vào bước sóng được sử dụng, bước sóng càng dài thì bộ phản xạ càng rộng. Vì vậy để có một bộ phản xạ có kích thước thích hợp, để nhận được một chùm tia hẹp phải sử dụng sóng có bước sóng rất ngắn. Với bước sóng 3cm bộ phản xạ rộng 5 fút thì sẽ cho một chùm tia rộng khoảng 1.5 độ với bộ phản xạ rộng 10 fút sẽ cho chùm tia rộng 0.75 độ. Độ chính xác của việc do hướng chỉ cần thiết trên mặt phẳng ngang tức là phương vò. Chúng ta dễ nhận thấy rằng, ở bất kỳ phương vò nào chùm tia càng rộng thì cường độ của nó càng yếu. Bộ phản xạ phát năng lượng đi theo một chùm tia hẹp với góc độ nhất đònh, năng lượng ấy được phát từ tiêu điểm mặt phản xạ thì bộ phản xạ cũng tập trung tất cả năng lượng từ nguồn bên ngoài đi đến nó rồi phản xạ về cùng một tiêu điểm ấy theo cùng góc độ như lúc nó phát đi. Điều đó nói lên rằng anten có tính đònh hướng cho cả thu và phát. Nó không những có lợi cho độ chính xác của 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 cách của điểm đó đến máy phát như sau: + Cường độ trường( đo bằng vol/ m ) tỉ lệ nghòch với khoảng cách. + Công suất( đo bằng oat/ 2 m ) tỉ lệ nghòch với bình phương khoảng cách. ï V. Công suất truyền sóng lý tưởng. Giả sử nguồn bức xạ là đẳng hướng và được đặt trong một không gian tự do. Nghóa là trong một môi trường đồng nhất, đồng hướng 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 xạ phân bố đồng đều trên mặt cầu bán kính r. Biểu thò công suất bức xạ bằng W. Đơn vò chiều dài là m , ta có biểu thức thông lượng năng lượng qua một đơn vò điện tích của mặt cầu bán kính r trong một đơn vò thời gian là: S = )m/W( r4 2 2 π ρ (1.12) Giá trò của biểu thức (1.12) cũng chính bằng giá trò trung bình của vector Poynting ở trên mặt cầu ấy: S = E n H n (1.13) E h (V/m); H n (A/m) gọi là trò hiệu dụng của vectơ cường độ điện trường và từ trường . Trong đơn vò đo lường hợp pháp H = E/120 ( A/m ) khi đó (1.13) được viết lại S = π 120 2 E (W/ 2 m ) Eh = r p30 (V/m) Trong thực tế người ta dùng những hệ thống bức xạ có tính phương hướng. Mức độ đònh hướng được đánh giá bởi hệ số 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 thể hiểu một cách đơn giản như sau: một anten có hướng công suất bức xạ P và có hệ số tính phương hướng ở một hướng nào đó là D sẽ tạo ra điểm thu ở hướng đó một cường độ trường có trò sẽ giống như 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 xạ lên so với anten vô hướng khi đó: Eh = r PD90 Trò số biên độ của cường độ trường E m = r pD60 (V/m) Trò số tức thời của cường độ trường bằng : E = r pD60 cos ( t- r pD c n 60 ) = cos( wt-Kr ) w : tần số góc của sóng K= wc w π 2 = là hệ số sóng λ : bước sóng không gian tự do. Trường hợp nguồn bức xạ không phải đặt trong không gian tự do mà đặt trên mặt đất dẫn điện lý tưởng, khi ấy năng lượng sẽ phân bố theo một nữa hình cầu, trò số D sẽ tăng gấp đôi và 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. [...]... Một vệ tinh, có khả năng thu, phát sóng vô tuyến điện sau khi được phóng vào vũ trụ dùng cho thông tin vệ tinh; khi đó vệ tinh sẽ khuếch đại sóng vô tuyến điện nhận được từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vô tuyến đến các trạm mặt đất khác Loại vệ 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... nhạy và tỷ số G/T + nh hưởng của tạp âm điều chế bên trong tới tỷ số tín hiệu/tạp âm + Các đặc điểm của thiết bò (suy hao cáp tín hiệu, phân cách phân cực anten, đặc tính bộ lọc, ) để biết hệ số dự trữ kết nối Vệ tinh: + Vò trí của vệ tinh trên quỹ đạo: cho biết vùng phủ sóng và góc nhìn trạm mặt đất, khoảng cách trạm mặt đất – vệ tinh + Mức EIRP, hệ số phẩm chất G/T của vệ tinh ở vò trí trạm mặt đất. .. bay của vệ tinh, vệ tinh có thể được phân ra vệ tinh quỹ đạo thấp và vệ tinh đòa tónh Vệ tinh quỹ đạo thấp là vệ tónh mà nhìn từ mặt đất nó chuyển động liên tục, thời gian cần thiết cho vệ tinh để chuyển động xung quanh quỹ đạo của nó khác với chu kỳ quay của quả đất xung quanh trục của nó .Vệ tinh đòa tónh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000 km so với đường xích đạo Vệ tinh loại... quan như: - Trạm mặt đất - Vệ tinh - Kênh thông tin Trạm mặt đất: + Vò trí đòa lý của trạm: cho biết các thông số như suy hao do mưa, 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... 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 11GHz được 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 góc nghiêng so với mặt bình độ Một thông số chung là mặt phẳng chuyển động của vệ tinh phải... (Az) sẽ đònh vò anten thu để thu bất kỳ một quả vệ tinh nào, các quả vệ tinh khác nhau thì hai thông số trên của anten phải được tính toán đúng vò trí của anten phát trên vệ tinh có kinh độ khác nhau trên từng vệ tinh Anten thu sẽ có các giá trò góc ngẩng và góc phương vò tương ứng khác nhau, phù hợp với quả vệ tinh cần thu Ta có thể dùng một gương anten thu cùng 3 quả vệ tinh đồng thời và có ưu điểm:... các vò trí cách điều nhau bên trên xích đạo thì có thể thiết lập thông tin hầu hết các vùng trên 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 đất qua 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. .. dụng rộng rãi cho các trạm mặt đất và mạng thông tin vệ tinh đòa tónh Em xin trình bày một mạng thông tin vệ tinh đòa tónh 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 bò, chi phí thuê kênh vệ tinh là nhỏ nhất... đất Thời gian vệ tinh đi hết một đường quỹ đạo tỉ lệ thuận với căn bậc ba của phân nửa trục quỹ đạo Có ba dạng quỹ đạo cơ bản được dùng cho vệ tinh: quỹ đạo êllip, quỹ đạo đồng bộ con, quỹ đạo đòa tónh Đối với quỹ đạo êlip và quỹ đạo đồng bộ con, thời gian đi của vệ tinh hết một quỹ đạo khác với thời gian quay quanh trục của vệ tinh, nghóa là vệ tinh chuyển động nhanh hơn khi càng gần mặt đất Các vệ. .. quả đất một vòng mất 24 giờ Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của quả đất xung quanh trục của nó theo hướng đông cùng với hướng quay của quả đất, bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất Do vậy nó được gọi là vệ tinh đòa tónh Bởi vì một vệ tinh đòa tónh có thể bảo đảm thông ổn đònh liên tục nên có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin Nếu ba vệ tinh . kết cấu tương tự của anten. - Đối với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang (mặt đất ), để cho các máy thu đặc ở các hướng bất kỳ đều. 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. đối vối dòng điện ở các đầu cắm anten thì gọi là điện trở vào của anten (Ra vào). Rth phụ thuộc vào kết cấu anten và dải sóng làm việc. Khi bước sóng giảm thì Rth giảm. Ở các dải sóng ngắn thường