truyền sóng & anten 2006 - ts. nguyễn phạm anh dũng & ths. phạm thị thúy hiền

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG TRUYỀN SĨNG – ANTEN (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội HÀ NỘI - 2006 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG TRUYỀN SÓNG – ANTEN Biên soạn : TS Nguyễn Phạm Anh Dũng ThS Phạm Thị Thúy Hiền LỜI NÓI ĐẦU Các hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt hệ thống thông tin di động phát triển mạnh mẽ Q trình truyền sóng anten phần kiến thức thiếu nghiên cứu hệ thống Mục đích tài liệu cung cấp cho sinh viên kiến thức truyền lan sóng vơ tuyến điện anten.Tài liệu bao gồm giảng mơn học "Truyền sóng anten" biên soạn theo chương trình đại học cơng nghệ viễn thơng Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Tài liệu xây dựng sở sinh viên học môn: Lý thuyết trường điện từ, Kỹ thuật siêu cao tần Do hạn chế thời lượng nên tài liệu bao gồm phần liên quan đến kiến thức truyền sóng anten Tuy nhiên học kỹ tài liệu sinh viên hồn chỉnh thêm kiến thức mơn học cách đọc tài liệu tham khảo dẫn cuối tài liệu Tài liệu chia làm sáu chương Được kết cấu hợp lý để sinh viên tự học Mỗi chương có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài tập Cuối tài liệu đáp án cho tập Người biên soạn: TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng ThS Phạm Thị Thúy Hiền i MỤC LỤC CHƯƠNG CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Nhắc lại số tính chất sóng điện từ 1.3 Sự phân cực sóng vơ tuyến điện 1.4 Ngun tắc phân chia sóng vơ tuyến điện theo tần số bước sóng 1.5 Các phương pháp truyền lan sóng mơi trường thực 1.6 Cơng thức truyền sóng khơng gian tự 1.7 Nguyên lý Huyghen miền Fresnel 1.8 Tổng kết 1.9 Câu hỏi tập 1 10 13 18 18 CHƯƠNG TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN 20 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn 2.3 Truyền lan sóng giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng 2.4 Truyền lan sóng giới hạn nhìn thấy trực tiếp kể đến ảnh hưởng địa hình 2.5 Ảnh hưởng tầng đối lưu khơng đồng 2.6 Các dạng pha đinh biện pháp chống 2.7 Tổng kết 2.8 Câu hỏi tập 20 20 22 29 32 40 41 41 CHƯƠNG KÊNH TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN TRONG THƠNG TIN DI ĐỘNG 43 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Mở đầu 3.3 Kênh truyền sóng miền khơng gian 3.4 Kênh truyền sóng miền tần số 3.5 Kênh truyền sóng miền thời gian 3.6 Quan hệ thông số miền khác 3.7 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 3.8 Các phân bố Rayleigh Rice 3.9 Các mơ hình kênh miền thời gian miền tần số 3.10 Ảnh hưởng thừa số K kênh Rice trải trễ lên thuộc tính kênh miền tần số 3.11 Tổng kết 3.8 Câu hỏi tập 43 43 48 49 50 51 52 53 54 CHƯƠNG LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 62 4.1 Giới thiệu chung 4.2 Mở đầu 4.3 Các tham số anten 4.4 Các nguồn xạ nguyên tố 4.5 Tổng kết 4.6 Câu hỏi kiểm tra 62 62 65 73 79 79 CHƯƠNG CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 81 5.1 Giới thiệu chung 5.2 Phân bố dòng điện chấn tử đối xứng 81 81 57 60 61 iii 5.3 Trường xạ chấn tử đối xứng không gian tự 5.4 Các tham số chấn tử đối xứng 5.5 Ảnh hưởng mặt đất đến đặc tính xạ anten 5.6 Hệ hai chấn tử đặt gần 5.7 Các phương pháp cấp điện cho chấn tử đối xứng 5.8 Tổng kết 5.9 Câu hỏi tập 83 85 92 96 103 109 109 CHƯƠNG ANTEN DÙNG TRONG THÔNG TIN VI BA 111 6.1 Giới thiệu chung 6.2 Đặc điểm yêu cầu anten dùng thông tin vi ba 6.3 Anten nhiều chấn tử 6.4 Anten khe 6.5 Nguyên lý xạ mặt 6.6 Anten loa 6.7 Anten gương 6.8 Tổng kết 6.9 Câu hỏi tập 111 111 113 120 124 129 132 138 138 HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 iv Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng CHƯƠNG CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Các chủ đề trình bày chương - Sự phân cực sóng vơ tuyến điện - Phân chia sóng vơ tuyến điện theo tần số bước sóng - Các phương pháp truyền lan sóng mơi trường thực - Cơng thức truyền sóng không gian tự 1.1.2 Hướng dẫn - Hoc kỹ phần trình bày chương - Tham khảo thêm [1], [2], [3] - Trả lời câu hỏi tập 1.1.3 Mục đích chương - Nắm dạng phân cực sóng vơ tuyến điện băng sóng vơ tuyến - Hiểu phương pháp truyền lan sóng mơi trường thực - Nắm cách tính tốn tham số truyền sóng khơng gian tự 1.2 NHẮC LẠI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA SĨNG ĐIỆN TỪ Sóng điện từ bao gồm hai thành phần: điện trường, ký hiệu E (V/m) từ trường, ký hiệu H (A/m) Chúng có quan hệ mật thiết với q trình truyền lan mơ tả hệ phương trình Maxwell, viết dạng khác Giả sử ta xét sóng phẳng truyền lan mơi trường điện mơi đồng đẳng hướng có tham số: hệ số điện môi ε hệ số từ thẩm μ, khơng có dịng điện điện tích ngồi, hệ phương trình Maxwell biểu thị mối quan hệ điện trường từ trường viết dạng vi phân sau: ∂H y ⎫ ∂E x =− ∂t ∂z ⎪ ⎪ ⎬ ∂H y ⎪ ∂E x = −μ ∂t ∂t ⎪ ⎭ ε (1.1) Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng Nghiệm hệ phương trình cho ta dạng thành phần điện trường từ trường hàm ⎛ ⎝ E x = F1 ⎜ t − z⎞ z⎞ ⎛ ⎟ + F2 ⎜ t + ⎟ v⎠ v⎠ ⎝ (1.2a) z⎞ z⎞ ⎛ ⎛ H y = G1 ⎜ t − ⎟ + G ⎜ t + ⎟ v⎠ ⎝ v⎠ ⎝ (1.2b) Trong đó: F1, F2, G1, G2 hàm sóng tùy ý v= Δz (m/s) vận tốc pha sóng = Δt εμ Từ (1.2) ta có : G1 = F1/ Z G2 = F2/ Z với Z= μ ε (Ω) trở kháng sóng mơi trường Nếu mơi trường truyền sóng chân khơng (cịn gọi không gian tự do) tham số mơi trường có giá trị: ε0 = 109/36π (F/m) ; μ0 = 4π.10-7 (H/m) Do : v= = 3.10 (m / s) = c (vận tốc ánh sáng) ε0μ Z0 = μ ε0 = 120π (Ω) Trong thực tế sóng điện từ thường biến đổi điều hịa theo thời gian Đối với sóng điện từ phức tạp ta coi tổng vơ số dao động điều hịa, nghĩa áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị Trong trường hợp giả thiết có sóng thuận, tức sóng truyền từ nguồn theo phương trục z mơi trường mà khơng có sóng nghịch thành phần điện trường từ trường biểu thị sau: ( E = E m cos ω t − z H= ( v )=E m cos ω ( t − kz ) ) Em E cos ω t − z = m cos ω ( t − kz ) v Z Z (1.3) Trong k = ω/v = 2π/λ gọi hệ số pha hay số sóng Sóng điện từ có mật độ cơng suất ( hay cịn gọi thơng lượng lượng), biểu thị véc r r r r r tơ lượng k = [E × H] Như sóng điện từ có véc tơ E H nằm mặt phẳng r vng góc với phương truyền sóng k Bởi sóng điện từ truyền mơi trường đồng đẳng hướng sóng điện từ ngang TEM Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng Hình 1.1 Sự truyền lan sóng điện từ 1.3 SỰ PHÂN CỰC CỦA SĨNG VƠ TUYẾN ĐIỆN Trường điện từ sóng vơ tuyến điện môi trường dao động theo hướng định Phân cực sóng điện từ hướng dao động trường điện từ Việc sử dụng phân cực khác sóng điện từ có ý nghĩa lớn việc sử dụng hiệu tần số thông tin vô tuyến Trường vùng xa anten có dạng sóng phẳng TEM xác định vectơ r r r r r Pointing: k = [E × H] Điều có nghĩa vectơ E H nằm mặt phẳng vng góc r với phương truyền sóng k Phương đường đầu mút véc tơ trường điện vẽ lên xác định phân cực sóng Trường điện trường từ hàm thay đổi theo thời gian Trường từ thay đổi đồng pha với trường điện biên độ tỷ lệ với biên độ trường điện, ta cần xét trường điện Có ba loại phân cực sóng vơ tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực tròn phân cực elip 1.3.1 Phân cực thẳng Hầu hết truyền dẫn vơ tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, phân cực đứng gọi phân cực trường điện vng góc với mặt đất phân cực ngang gọi phân cực trường điện song song với mặt đất Giả thiết phương ngang đứng coi trục x y (hình1.2a) Tại điểm khơng gian, vectơ trường sóng biểu thị thành phần thẳng đứng nằm ngang sau: r r E y = a y Eysinωt r r E x = a x Exsinωt (1.4) (1.5) r r a y , a x vectơ đơn vị phương đứng phương ngang; Ey, Ex giá trị đỉnh (hay biên độ) trường điện phương đứng phương ngang Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng Trường tổng vectơ E hợp với trục ngang góc xác định sau: α = arctan g Ey (1.6) Ex r Trong trường hợp ta thấy vectơ E không biến đổi Độ dài vectơ thay đổi theo thời gian đầu mút vectơ nằm đường thẳng cố định trùng với phương vectơ có góc nghiêng α (hình 2c) Đó tượng phân cực đường thẳng sóng điện từ Khi α = 00 ta có r sóng phân cực ngang, lúc vectơ E song song với mặt đất; cịn α = 900 ta có sóng r phân cực đứng, vectơ E ln vng góc với mặt y y +E y r 2 | E |= E y + E x r ay r ax x -E x +E x x Trôc z hưíng ngoμi -E y Hình 1.2 Các thành phân ngang đứng phân cực thẳng 1.3.2 Phân cực tròn Khi thành phần thẳng đứng nằm ngang có biên độ ( ký hiệu E0) trường nhanh pha 900 Các phương trình thể chúng trừơng hợp sau: r r E y = a y E0 sinωt r r E = a x E0 cosωt (1.7a) (1.7b) Áp dụng ptr (1.6) cho trường hợp ta α=ωt Biên độ vectơ tổng E0 Trong r trường hợp này, vectơ E có biên độ khơng đổi hướng thay đổi liên tục theo thời r gian với quy luật ωt Nói cách khác, vectơ E quay quanh gốc mặt phẳng xy với vận tốc ω Đầu mút vectơ trường điện vẽ lên đường trịn có bán kính độ dài vectơ Đó tượng phân cực tròn Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng y ωt = 90 ωt = 180 0 ωt zVectơ x t = 00 x hướng ngồi ωt = 270 RHC §iĨm nhìn theo IEEE z LHC Điểm nhìn theo IEEE z Hình 1.3 Phân cực trịn Hướng phân cực trịn định nghĩa phương quay vectơ điện điều đòi hỏi ta phải quan sát chiều quay vectơ Theo định nghĩa IEEE phân cực tròn tay phải (RHC) phân cực quay theo chiều kim đồng hồ nhìn dọc theo phương truyền sóng (hình 1.3), cịn phân cực trịn tay trái (LHC) phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ nhìn dọc theo phương truyền sóng Phương truyền sóng dọc theo trục z dương 1.3.3 Phân cực elip Trong trường hợp tổng quát sóng điện từ có dạng phân cực elip Điều xẩy hai thành phần tuyến tính là: r r E y = a y Eysinωt r r E = a x Excos(ωt+δ) (1.8a) (1.8b) Chương 6: Anten dùng thông tin viba Loa nón : R ( R0 ) = − 0,15λ 2, 4λ 6.6.2 Tính hướng anten loa Đối với anten loa E , độ rộng búp sóng xác định λ E 2θ = 510 b1 λ 2θ = 115 E (6.37) b1 Đối với anten loa H , độ rộng búp sóng xác định H 2θ = 510 2θ H = 172 λ a1 λ (6.38) a1 Để độ rộng búp sóng hai mặt phẳng E H cạnh loa phải thỏa mãn điều kiện a1 = 1,5 b1 Hệ số hướng tính anten loa tính theo biểu thức D= 4π Sυ λ2 (6.39) Ở S diện tích miệng loa, υ hệ số sử dụng bề mặt miệng loa Hệ số sử dụng bề mặt miệng loa nhỏ biên độ pha trường miệng loa khác so với tâm loa Để tăng hệ số hướng tính anten loa cần phải tăng kích thước miệng loa Ví dụ để đạt D = 4500 (36,6 dBi) với bước sóng cơng tác cm, miệng loa phải có kích thước a1 = 1,5 m b1 = 1m, chiều dài loa phải lớn 10 m Anten loa thường sử dụng làm anten xạ sơ cấp (bộ chiếu xạ) cho loại anten có mặt xạ thứ cấp anten parabol, anten cassegrain Nó sử dụng làm anten độc lập hệ thống thơng tin vệ tinh Khi kích thước loa lớn 6.7 ANTEN GƯƠNG 6.7.1 Nguyên lý chung Nguyên lý làm việc anten gương tương tự nguyên lý làm việc gương quang học Để thuận tiện khảo sát hoạt động anten gương chế độ phát sóng Sóng sơ cấp với dạng mặt sóng hướng truyền lan định, sau phản xạ từ mặt gương trở thành sóng thứ cấp với dạng mặt sóng hướng truyền lan biến đổi theo yêu cầu Việc biến đổi nhờ hình dạng kết cấu đặc biệt mặt phản xạ (gọi gương) Trong phần lớn trường hợp, 132 Chương 6: Anten dùng thông tin viba gương có nhiệm vụ biến đổi sóng cầu sóng trụ xạ từ nguồn sơ cấp với tính hướng thành sóng phẳng (hoặc gần phẳng) với lượng tập trung khơng gian hẹp có tính hướng mong muốn Nguồn xạ sơ cấp gọi chiếu xạ Gương phản xạ thứ cấp dùng phổ biến gương parabol, số sử dụng gương hyperbol 6.7.2 Anten gương parabol Anten gương parabol sử dụng phổ biến thông tin vi ba thông tin vệ tinh Cấu tạo anten bao gồm hai phận chủ yếu: mặt phản xạ (gương) trịn xoay có mặt cong theo đường cong theo đường cong parabol, mặt phản xạ đảm bảo chế hội tụ để tập trung lượng vào phương cho trước; chiếu xạ đặt tiêu điểm F gương, thực chất chiếu xạ anten sơ cấp: xạ sóng cầu (với gương parabol tròn xoay) hay nguồn xạ thẳng dọc theo trc tiờu (gng parabol tr), hỡnh 6.22 Tiêu điểm Hình 6.22 Anten gương parabol Hình 6.23 Mặt cắt dọc anten gương parabol Để hiểu tính chất hình học mặt phản xạ parabol tròn xoay ta xét parabol đường cong tạo từ mặt phản xạ mặt phẳng vng góc với mặt phẳng chứa mặt mở qua tiêu điểm (hình 6.23a) Tiêu điểm ký hiệu F đỉnh O, trục đường thẳng qua F O, FO tiêu cự ký hiệu f Xét quãng đường hai tia sóng xuất phát từ chiếu xạ đặt tiêu điểm gương: tia trùng với quang trục gương phản xạ đỉnh gương, đến miệng gương O’; tia phản xạ điểm A mặt gương đến miệng gương B Ta có FO + OO’= FA + AB = k (với k số).Quãng đường dài có nghĩa sóng phát từ tiêu điểm có phân bố pha đồng mặt mở Thuộc tính với thuộc tính tia song song có nghĩa mặt sóng mặt phẳng Như 133 Chương 6: Anten dùng thông tin viba phát xạ từ mặt phản xạ parabol tròn xoay giống phát xạ sóng phẳng từ mặt phẳng vng góc với trục chứa đường chuẩn (đường vng góc với FO qua điểm đối xứng với F qua đỉnh O trục, độ dài đường chuẩn đường kính miệng gương parabol cịn gọi đường kính anten parabol) Cần lưu ý theo nguyên lý đảo lẫn, tính chất áp dụng cho anten chế độ thu Tỷ số đường kính miệng gương tiêu điểm tỷ số quan trọng, nên ta xét tỷ số Ký hiệu đường kính miệng gương d, ta được: ψ f = 0, 25cot ang d (6.40) Vị trí tiêu điểm so với mặt phản xạ giá trị f/d khác cho hình 6.24 Đối với f/d0,25, anten sơ cấp nằm ngồi miệng gương chiếu xạ trở nên đồng hơn, phần bị tràn phản xạ Ở chế độ phát tràn phát xạ anten sơ cấp hướng đến phản xạ vượt ngồi góc 2Ψ0 Hình 6.24 Vị trí tiêu điểm giá trị f/d khác Đồ thị phương hướng anten parabol Năng lượng sóng điện từ phản xạ từ gương tập trung xung quanh quang trục gương, gọi búp sóng Tuy nhiên, có ảnh hưởng che chắn đỡ chiếu xạ chiếu xạ nên gây miền tối phía sau chiếu xạ; chiếu xạ xạ sóng sơ cấp phần sóng truyền ngồi mặt gương; mặt phản xạ không phẳng tuyệt đối nên phản xạ phần lượng bị tán xạ Do đồ thị phương hướng anten gương parabol ngồi búp sóng cịn có búp sóng phụ Độ rộng búp sóng θ3dB hay góc nửa cơng suất đồ thị phương hướng xác định theo công thức: θ3dB = 2θ = 21 (độ) fd (6.41) θ3dB = 2θ = 70λ d (6.42) Hay 134 Chương 6: Anten dùng thơng tin viba Trong đó: f tần số cơng tác (GHz), d đường kính miệng gương (m), λ bước sóng cơng tác (m) dB Búp Các búp phụ G Búp ngược dB 2θ 1/2 - 1800 1800 Hình 6.25 Đồ thị phương hướng anten parabol tọa độ vng góc Hiệu suất làm việc anten parabol Ở anten parabol khơng phải tất lượng sóng xạ từ nguồn sơ cấp (bộ chiếu xạ) phản xạ từ gương parabol Một phần lượng sóng hấp thụ từ gương phần khác bị tán xạ xung quang mép gương mặt gương không phẳng tuyệt đối Thêm vào đó, chiếu xạ đặt gương cộng với giá đỡ che chắn phần miệng gương (tạo nên vùng tối đối diện với gương) Chính mà thực tế hiệu suất anten parabol đạt khoảng 55- 70 % công suất xạ từ chiếu xạ Hệ số hướng tính hệ số khuếch đạicủa anten gương parabol tròn xoay: D= G= 4π Sη λ2 4π Sη λ2 ⎛πd ⎞ =⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ (6.42) ⎛πd ⎞ =⎜ ⎟ η ⎝ λ ⎠ (6.43) đó: d đường kính miệng gương (m) λ bước sóng cơng tác (m) η hiệu suất làm việc anten S diện tích thực miệng anten (S = πd2/4) Nếu biểu thị theo đơn vị decibel ta có: G (dBi ) = 20 lg d( m ) + 20 lg f( GHz ) + 10 lgη + 20, (6.44) 135 Chương 6: Anten dùng thơng tin viba Chú ý: Hệ số hướng tính D hệ số khuếch đại G công thức tính hướng xạ cực đại Ví dụ Một anten parabol có đường kính miệng parabol 2m, công suất xạ W, tần số công tác GHz, hiệu suất làm việc 55% Hãy xác định: a, Độ rộng búp sóng b, Hệ số khuếch đại c, Công suất xạ đẳng hướng tương đương Giải a, Áp dụng công thức (6.41) ta có độ rộng búp sóng nửa cơng suất θ3dB = 21 21 = = 1, 750 fd 6.2 b, Hệ số khuếch đại tính theo cơng thức (6.44) G (dBi ) = 20 lg d( m ) + 20 lg f( GHz ) + 10 lgη + 20, = 20 lg + 20 lg + 10 lg 0,55 + 20, = 39, 4(dBi ) c, Công suất xạ đẳng hướng tương đương EIRP = GT (dBi ) + PT (dBm) = 39, + 10 lg = 39, + 37 = 76, (dBm) 0, 001 6.7.3 Anten hai gương: anten Cassegrain Anten Cassegrain gồm gương phản xạ parabol trịn xoay cịn gọi gương chính, gương phản xạ hyperbol gọi gương phụ chiếu xạ dùng anten loa Bộ chiếu xạ bố trí cho tâm loa nằm đỉnh parabol Gương phụ có hai tiêu điểm: trùng với tiêu điểm gương trùng với tâm pha chiếu xạ (hình: Mặt cắt dọc theo quang trục anten Cassegrain ) Anten biến đổi sóng cầu từ chiếu xạ thành sóng phẳng đồng pha miệng gương sau hai lần phản xạ liên tiếp gương phụ gương Ưu điểm anten Cassegrain độ rộng búp sóng đồ thị phương hướng nhỏ so với anten parabol đơn, chiếu xạ đặt đỉnh gương nên thuận lợi cho viếc cấp điện Gương phản xạ phụ lắp phía trước gương phản xạ nói chung có kích cỡ nhỏ loa tiếp sóng gây che tối Như vậy, anten Cassegrain có nhược điểm gương phụ chắn phần khơng gian trước gương gây miền tối, làm cho phân bố biên độ trường không đồng đều, giảm tính định hướng anten Hệ thống Cassegrain sử dụng rộng rãi cho trạm mặt đất 136 Chương 6: Anten dùng thơng tin viba Hình 6.26 Mặt cắt dọc theo quang trục anten Cassegrain tia truyền anten Hình 6.27 Anten Cassegrain 6.7.4 Anten Gregorian Một dạng khác anten hai gương anten Gregorian Anten gồm gương phản xạ parabol trịn xoay gương phản xạ phụ elip tròn xoay Cũng trường hợp trên, gương phản xạ phụ có hai tiêu điểm, trùng với tiêu điểm gương phản xạ điểm trùng với tâm pha loa tiếp sóng Hoạt động hệ thống Gregorian có nhiều điểm giống Cassegrain Anten Gregorian đươc minh hoạ hình 6.28 137 Chương 6: Anten dùng thơng tin viba Hình 6.28 Anten Cassegrain lệch trục 6.8 TỔNG KẾT Anten thiết bị thiếu hệ thống thông tin vô tuyến Tùy vào tính chất hệ thống thơng tin vô tuyến người ta sử dụng loại anten thích hợp Có nhiều loại anten khác sử dụng Trong chương đề cập đến số loại anten dùng phổ biến Các anten nhiều chấn tử ứng dụng rộng rãi vơ tuyến truyền hình Các anten thường đơn giản cấu trúc, chịu áp lực gió đặt cao hoạt động chúng có nhiều ưu điểm thông số điện Các anten xạ mặt sử dụng tần số cao Ưu điểm chúng đạt tính hướng cao Anten loa dạng anten sử dụng phổ biến thơng tin vệ tinh Loa sử dụng anten độc lập hay thường xuyên sử dụng làm tiếp sóng cho anten gương Các anten gương parabol sử dụng rộng rãi hệ thống thông tin chuyển tiếp mặt đất hệ thống thông tin vệ tinh Tiếp sóng cho anten loa đặt tâm lệch tâm Trường hợp thứ hai cho phép tránh tượng che tối địi hỏi phải có biện pháp để tạo phân bố trường chiếu xạ mặt mở parabol giá đỡ phản xạ phức tạp Các anten phản xạ kép sử dụng thông tin vệ tinh, cho phép đặt tiếp sóng tâm chảo phản xạ bảo dưỡng quay anten tiện Anten Cassegrain bao gồm hai phản xạ: phản xạ phụ có hình hyperbol trịn xoay phản xạ parabol trịn xoay Anten Gregorian có phản xạ parabol trịn xoay phản xạ phụ elip tròn xoay 6.9 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc anten yagi 138 Chương 6: Anten dùng thơng tin viba Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc anten loga - chu kỳ Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc anten loa Điều kiện để loa tối ưu Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc anten gương parabol Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc anten gương kép Cassegrain Một anten parabol đường kính 5m có hiệu suất làm việc 0,65 làm việc tần số 6GHz Tìm diện tích mặt mở hiệu dụng anten (a) 12,76 m2; (b) 13,76m2; (c) 14,76m2; (d) 15,75m2 Số liệu 6, tìm hệ số khuếch đại anten a ) 45,1dBi; (b) 46,1dBi; (c) 47,1dBi; (d) 48,1dBi Số liệu 6, xác định độ rơng búp sóng a ) 0,50; (b) 0,7 0; (c) 1,50; (d) 1,7 Một anten parabol đường kính 3m có hiệu suất làm việc 0,55 làm việc tần số 2GHz Tìm diện tích mặt mở hiệu dụng anten a ) 2,9 m2; (b) 3,5 m2; (c) 3,9 m2; (d) 4,5 m2 10 Số liệu 9, tìm hệ số khuếch đạicủa anten a ) 33,4dBi; (b) 35,4dBi; (c) 37,4dBi; (d) 39,4dBi 11 Số liệu 9, xác định độ rơng búp sóng a ) 2,50; (b) 3,0 0; (c) 3,50; (d) 3,7 12 Một anten gương parabol có hệ số khuếch đại 50 dBi, hiệu suất làm việc 60% Tính góc nửa cơng suất a ) 0,440; (b) 0,540; (c) 0,640; (d) 0,740 13 Một anten có góc nửa cơng suất 20 Xác định hệ số khuếch đại biết hiệu suất làm việc anten 55% a ) 30,2dBi; (b) 35,2dBi; (c) 38,2dBi; (d) 40,2dBi 14 Một anten phát có hệ số khuếch đạilà 40 dBi, anten có cơng suất phát để anten thu gương parabol có đường kính miệng gương 0,9 m; hiệu suất làm việc 0,55 đặt cách anten phát 50 km nhận công suất – 70 dBW Giả thiết sóng truyền khơng gian tự a ) 0,5 mW; (b) 0,5 W; (c) 0,9 mW; (d) 0,9W 15 Anten gương parabol có hệ số khuếch đạilà 40 dBi, hiệu suất làm việc 60%, làm việc tần số 4GHz.Tính đường kính miệng gương a ) 3,08 m; (b) 3,28 m; (c) 3,58 m; (d) 3,78 m 16 Số kiệu 15, tính độ rộng búp sóng θ3dB a ) 1,50; (b) 1,70; (c) 2,50; (d) 2,70 17 Một anten phát có hệ số khuếch đạilà 30 dBi, công suất phát anten 5W Ở cự ly 50 km đặt anten thu gương parabol có đường kính miệng gương 1,5m Tính công suất anten thu nhận a ) 1,13 pW; (b) 1,13μW; (c) 1,13 mW ; (d) 1,13 W 18 Số liệu 17, tính tổn hao truyền sóng không gian tự truyền từ anten phát đến anten thu 139 Chương 6: Anten dùng thông tin viba a ) 60,45dB; (b) 63,45dB; (c) 65,45dB; (d) 66,45dB 19 Một anten gương parabol có hệ số khuếch đại 30 dBi, hiệu suất làm việc 60% Tính góc nửa cơng suất a ) 4,380; (b) 5,380; (c) 6,380; (d) 7,380 20 Một anten có góc nửa cơng suất 1,20 Xác định hệ số khuếch đại biết hiệu suất làm việc anten 55% a ) 35,7dBi; (b) 40,7dBi; (c) 42,7dBi; (d) 45,7dBi 140 Hướng dẫn trả lời HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CHƯƠNG Câu 7: (a) - Áp dụng cơng thức (1.14) tính S - Áp dụng cơng thức (1.20) tính PR Câu 8: (b) - Đổi đơn vị G sang số lần - Tính bước sóng cơng tác Áp dụng cơng thức (1.22) Câu 9: (c) Câu 10: (d) Áp dụng công thức (1.22) (1.23) Câu 11: (b) Áp dụng công thức (1.18a) Câu 12: (a) Áp dụng công thức (1.24) (1.25) công thức(1.26) (1.27), (1.28), (1.29) Câu 13: (a) Câu 14: a, (c) b, (a) Áp dụng công thức (1.9) Câu 15: (d) Áp dụng công thức (1.18a) Câu 16: (b) Áp dụng công thức (1.118a) Câu 17: (c) Áp dụng công thức (1.14) CHƯƠNG Câu 9: (b) Áp dụng cơng thức (2.9) tìm Δr Áp dụng cơng thức (2.10) tìm F 141 Hướng dẫn trả lời Câu 10: (c) Áp dụng công thức (2.7) Câu 11: (a) Áp dụng cơng thức (1.26), tính đến có mặt hệ số suy giảm Câu 12: (a) Áp dụng công thức (2.11) Câu 13: (d) Áp dụng công thức (2.12) Câu 14: (c) Áp dụng công thức (2.13) Câu 15: (b) Áp dụng công thức (2.19) Câu 16: (c) Áp dụng công thức (2.19) Câu 17: (b) Áp dụng công thức (2.19) Câu 18: (d) Áp dụng công thức (2.31) CHƯƠNG Câu 7: - Định nghĩa, biểu thức tính trường xạ - Các tham số dipol: hàm tính hướng, đồ thị tính hướng, cơng suất xạ, điện trở xạ, hệ số tính hướng - Định nghĩa, biểu thức tính trường xạ - Các tham số dipol: hàm tính hướng, đồ thị tính hướng, cơng suất xạ, điện trở xạ, hệ số tính hướng - Định nghĩa, biểu thức tính trường xạ - Các tham số dipol: hàm tính hướng, đồ thị tính hướng, hệ số tính hướng Câu 8: Câu 9: Câu 10: (d) Áp dụng công thức (4.8) (4.14a) Câu 11: (a) Áp dụng công thức (4.13) (4.15) Câu 12: (b) - Áp dụng cơng thức (4.15) tính G 142 Hướng dẫn trả lời - Áp dụng công thức (4.18a) (4.18b) tính EIRP Câu 13: (d) Áp dụng cơng thức (4.7) (4.13), (4.15) Câu 14: (b) Áp dụng công thức (4.7) (4.13), (4.15) CHƯƠNG Câu 13: (a) Áp dụng công thức (5.25) Câu 14: (b) Câu 15: (c) Câu 16: (c) CHƯƠNG Câu 6: (a) Áp dụng công thức (4.19) Câu 7: (d) Áp dụng công thức (6.43) (4.15) công thức (6.44) Câu 8: (b) Áp dụng công thức (6.41) Câu 9: (c) Áp dụng công thức (4.19) Câu 10: (a) Áp dụng công thức (6.43) (4.15) công thức (6.44) Câu 11: (c) Áp dụng công thức (6.41) Câu 12: (b) Cách Góc nửa cơng suất tính theo cơng thức (6.42) 2θ = 70λ (độ) d Mặt khác ta có ⎛ πd ⎞ G = ⎜ ⎟ ηa ⎝ λ ⎠ 143 Hướng dẫn trả lời ⇒ Vậy η λ =π a d G ηa 0,6 0,540 = 70π = G 10 2θ = 70π Cách Áp dụng công thức (6.41) Câu 13: (c) Tính tương tự câu 12 Câu 14: (d) GT= 40 dBi ⇒ GT= 104 lần PR = -70 dBW ⇒ PR = 10-7 W PT G T G R λ Ta có : PR = ( 4πr ) 2 Mặt khác G = ⎛ πd ⎞ η ⎜ ⎟ a ⎝ λ ⎠ Nên PR = PT G T G R λ ( 4πr ) 2 = PT G T d ( 4r ) 2 ηA −7 P 16.r 10 ( 4.5.10 ) PT = R = = 0,9 (W) G T d ηA 104.0,92.0,55 Vậy Câu 15: (a) G = 40 dBi ⇒ G = 104 lần Từ công thức 2 ⎛ πd ⎞ ⎛ πdf ⎞ G = ⎜ ⎟ ηa = ⎜ ⎟ η a với f (Hz); d (m) λ ⎠ c ⎠ ⎝ ⎝ ⇒d = c πf G 3.10 = η a π.4.10 10 = 3,08 (m) 0, Câu 16: (b) Áp dụng công thức (6.41) Câu 17: (b) Câu 18: (d) Câu 19: (b) Câu 20: (c) 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Trường điện từ truyền sóng, NXB đại học quốc gia Hà nội [2] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, 2004 [3] Nathan Blaunstein, Radio propagation in cellular network, Artech House, Boston, 2000 145 TRUYỀN SÓNG – ANTEN Mã số : 491TSA460 Chịu trách nhiệm thảo TRUNG TÂM ÐÀO TẠO BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ... kênh - Kênh truyền sóng miền thời gian - Kênh truyền sóng miền tần số - Kênh truyền sóng miền không gian - Quan hệ thông số miền khác - Các loại phađinh phạm vi hẹp - Các phân bố Rayleigh Rice -. .. biên soạn: TS .Nguyễn Phạm Anh Dũng ThS Phạm Thị Thúy Hiền i MỤC LỤC CHƯƠNG CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Nhắc lại số tính chất sóng điện từ 1.3 Sự phân cực sóng vơ tuyến... biểu thị dấu cộng, trừ hình vẽ Nn N1 N0 A B N’1 r1 Nn ’ r2 + N4 + - N3 + + N2 + - N-+ + + - + + N ++ - + - + +- + + ++ + - - + + + + -+ + + Hình 1.13: Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel mặt sóng