truyền sóng và anten

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN MỤC LỤC PHOTO HUYỀN TRANG A Lý thuyết 1.Phân cực sóng điện từ • Khái niệm: • Trường điện từ sóng vô tuyến điện môi trường dao động theo hướng định Phân cực hướng dao động trường điện từ • Trường phân cực trường điện từ có vecto E H khả định hướng thời điểm (biến đổi có tính quy luật) Ngược lại trường không phân cực (biến đổi ngẫu nhiên không gian) • Mặt phẳng phân cực: Là mặt phẳng chứa vec tơ E phương truyền lan sóng (vecto Z) • Phân loại: • Phân cực đường thẳng: Mặt phẳng phân cực cố r E định sóng truyền lan Vectơ 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 • Khi α = ta có sóng phân cực ngang, lúc r E vectơ song song với mặt phẳng r E nằm ngang, vectơ có thành phần theo phương y PHOTO HUYỀN TRANG r E Khi α = 900 ta có sóng phân cực đứng, vectơ vuông gócr với mặt phẳng nằm ngang Trường E hợp vectơ có thành phần theo phương x • Phân cực quay: Mặt phẳng phân cực quay xung quanh trục phương truyền lan • Phân vực tròn: Khi vecto E quay, biên độ không thay đổi (vẽ lên đường tròn) • Phân cực elip: Khi vecto E quay, biên độ thay đổi liên tục (vẽ lên đường elip) Phân cực tròn có hai loại, phân cực tròn tay phải phân cực quay theo chiều kim đồng hồ nhìn dọc theo phương truyền sóng; phân cực tròn tay trái phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ nhìn dọc theo phương truyền sóng • Ý nghĩa: Sử dụng hiệu tài nguyên phổ tần vô tuyến • PHOTO HUYỀN TRANG 2.Các phương thức truyền lan sóng điện từ: Tùy theo môi trường truyền sóng có bốn phương thức truyền lan sau:   Truyền lan sóng bề mặt (sóng đất):  Nguyên lý Bề mặt trái đất môi trường dẫn khép kín đường sức điện trường Nguồn xạ nằm thẳng đứng mặt đất, sóng điện từ truyền lan dọc theo mặt đất đến điểm thu  Đặc điểm PHOTO HUYỀN TRANG Năng lượng sóng bị hấp thụ tần số thấp, đặc biệt với mặt đất ẩm, mặt biển (độ dẫn lớn) Khả nhiễu xạ mạnh, cho phép truyền lan qua vật chắn Sử dụng cho băng sóng dài trung với phân cực đứng: phát điều biên (thông tin hải)  Truyền lan sóng không gian:  Nguyên lý Anten đặt cao mặt đất vài bước sóng Sóng điện từ đến điểm thu theo cách Sóng trực tiếp: Đi thẳng từ điểm phát đến điểm thu • Sóng phản xạ: Đến điểm thu sau phản xạ mặt đất (thỏa mãn ĐL PX) • Tán xạ Đặc điểm • Chịu ảnh hưởng nhiều điều kiện môi trường Phù hợp cho băng sóng cực ngắn (VHF, UHF, SHF), phương thức truyền sóng thông tin vô tuyến • • • PHOTO HUYỀN TRANG • • • • • • Truyền lan sóng trời (sóng điện ly): Nguyên lý • Lợi dụng đặc tính phản xạ sóng tầng điện ly băng sóng ngắn • Sóng điện từ phản xạ quay trở trái đất Đặc điểm • Không ổn định thay đổi điều kiện phản xạ tầng điện ly Truyền lan sóng tự do: Nguyên lý • Môi trường truyền sóng lý tưởng (đồng tính, đẳng hướng, không hấp thụ môi trường chân không) • Sóng truyền lan trực tiếp đến điểm thu theo đường thẳng Đặc điểm • Môi trường tồn vũ trụ, sử dụng cho thông tin vũ trụ • Bầu khí trái đất số điều kiện định coi không gian tự 3.Biểu thức truyền lan sóng không gian tự do: Xét mặt cầu qua R bán kính r PHOTO HUYỀN TRANG • Mật độ công suất (thông lượng lượng) mặt cầu: S2 = P1 4π.r ( W/m ) Theo lý thuyết trường: S2 = E h H h ; Hh = ⇔ S2 = • Eh Eh 120π • • Z0 = Eh 120π (A/m) (W/m ) Cường độ điện trường điểm thu: 30P1 = r ( V/m ) E(t) = E h 2.cos ω ( t − cr )  =   • Eh 60.P1 cos ( ωt − kr ) r ( V/m ) Sử dụng anten có hướng: Tập chung lượng giúp tăng công suất điểm thu Đặc trưng hệ số tính hướng D1 (hay GT) P1 P2' D1 = ' ; D1 = P1 P2 60.P1.D1 P1 S2 = D1 ⇔ E = cos ( ω.t − k r ) 4π r r PHOTO HUYỀN TRANG • • Công suất nhận anten thu, P2 Là tích mật độ công suất điểm thu S diện tích làm việc (hiệu dụng) anten thu Ah P2 = S2 Ah , • (w) Trường hợp sử dụng anten gương parabol tròn xoay với hệ số tính hướng D2 π d π d  D2 λ  A= ; D2 =  ÷ ⇒ A = 4.π  λ  D2 λ P1.D1 ⇔ P2 = 4.π 4.π r 2  λ  = ÷ P1.D1.D2  4.π r  ( W) d: Đường kính miệng anten λ: Bước sóng công tác • Công suất thực tế đầu anten thu Pa = S2 Ah ; Ah = η2 A Ah: Diện tích hiệu dụng anten thu η2: Hiệu suất anten thu PHOTO HUYỀN TRANG Miền Fresnel: • • Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel mặt sóng cầu Xây dựng miền Fresnel • Dựng mặt sóng qua N0 • Dựng mặt nón tròn xoay trục BN 0, đường sinh là: (BN0 + n.λ/2), cắt mặt sóng Nn ta đường sinh: BN1 = r2 + λ/2 BN2 = r2 + 2λ/2, … BNn = r2 + nλ/2 Giao tuyến mặt nón với mặt cầu đường tròn đồng tâm Miền giới hạn đường tròn gọi miền Fresnel Miềm giới hạn đường tròn N1 miền Fresnel thứ nhất; miền giới hạn đường tròn N1 N2 miền Fresnel thứ hai…(Miền Fresnel bậc cao) PHOTO HUYỀN TRANG • • Khái niệm: Miền Fresnel thứ n (Fn) vùng không gian giới hạn quỹ tích điểm mà hiệu số tổng khoảng cách từ điểm đến điểm phát điểm thu với khoảng cách hai điểm thu phát số có giá trị n lần nửa bước sóng công tác ( 2) AN n + N n B − AB = n λ PHOTO HUYỀN TRANG 10 • Trường hợp mặt xạ lý tưởng : f m ( x, y ) = ψ ( x, y ) = Z = ' s E H Chọn hệ trục toa độ hình vẽ: H x = −H0 Zs = Ey Hx =− E0 = − Z s' H0 PHOTO HUYỀN TRANG 61 • Mặt xạ hình chữ nhật: • Trường xạ  ka   kb  sin  sin θ cos ϕ ÷ sin  sin θ sin ϕ ÷  Z  ik e−ikr  2  Eθ = Z s H ab 1 + cosθ ÷sin ϕ  ka kb 4π r  Zs  sin θ cos ϕ sin θ sin ϕ 2  ka   kb  sin  sin θ cos ϕ ÷ sin  sin θ sin ϕ ÷ Z  ik e−ikr  2  Eϕ = Z s H 0ab  + cosθ ÷co s ϕ  ka kb 4π r  Zs  sin θ cos ϕ sin θ sin ϕ 2 Eϕ E Hθ = ; H ϕ = θ Z Z • Điểm khảo sát nằm mặt phẳng E  kb  sin  sin θ ÷ − ikr   ik e Z  Eθ = Z s H ab 1 + cosθ ÷  4π r  Zs  kb sin θ Eϕ = PHOTO HUYỀN TRANG 62 • • • • • • • • Điểm khảo sát nằm mặt phẳng H Eθ =  ka  sin  sin θ ÷ Z  2 ik e−ikr  Eϕ = Z s H ab  + cosθ ÷ 4π r  Zs  ka sin θ PHOTO HUYỀN TRANG 63 • Hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa : Z kb + cosθ sin  sin θ E   ÷ Zs   E F (θ ) = Z kb 1+ sin θ E Zs F (θ H ) • Z ka + cosθ sin  sin θ H   ÷ Zs   = Z ka 1+ sin θ H Zs Độ rộng búp sóng H 2θ 0H = 2θ 01 = E 2θ 0E = 2θ 01 = • 2λ λ ( rad ); 2θ 0H = 1150 a a 2λ λ ( rad ); 2θ 0E = 1150 b b Mặt xạ hình tròn • Điểm khảo sát nằm mặt phẳng E:   J ( ka sin θ ) ik e−ikr Z Eθ = Z s H S 1 + cosθ ÷ 4π r  Zs  ka sin θ Eϕ = PHOTO HUYỀN TRANG 64 • Điểm khảo sát nằm mặt phẳng H Eθ = Z  J ( ka sin θ ) ik e −ikr Eϕ = Z s H S  + cosθ ÷ 4π r  Zs  ka sin θ • Hàm tính hướng biên độ chuẩn hóa : F (θ E ) = F (θ H ) • Z cosθ J1 ( ka sin θ E ) Zs Z ka sin θ E 1+ Zs 1+ Z + cosθ J1 ( ka sin θ H ) Zs = Z ka sin θ H 1+ Zs Độ rộng búp sóng λ 2θ ≈ 2, 41 (rad ) 2a 2θ = 1, 02 λ ( rad ) 2a PHOTO HUYỀN TRANG 65 17.Các loại anten: Yagi, Logarit chu kỳ, Anten loa, Parabol • Anten Yagi: • Cấu tạo • Một chấn tử chủ động: Vòng dẹt nửa sóng sóng: l = λ/4 (Zv=300Ω) • Các chấn tử thụ động: Phản xạ dẫn xạ • Đặt song song với mặt phẳng • Chỉ chấn tử chủ động cấp nguồn • Nguyên lý hoạt động: • Một anten yagi gồm chấn tử: chấn tử chủ động A, chấn tử phản xạ P chấn tử hướng xạ D • Chấn tử A nối với máy phát cao tần xạ sóng điện từ, tác dụng trường xạ P D xuất dòng cảm ứng sinh xạ thứ cấp • Chiều dài khoảng cách chấn tử chọn thích hợp cho: • P trở thành chấn tử phản xạ A • D trở thành chấn tử dẫn xạ A • Năng lượng xạ chấn tử tập trung phía • Quan hệ dòng điện trấn tử chủ động I1 chấn tử thụ động I2: I2 = a.e jψ I1 PHOTO HUYỀN TRANG 66 Với: a= (R 12 + X 22 ) 2 R22 + X 22 ψ = π + arctg + + • • • • X 12 X − arctg 22 R12 R22 2l > λ/2: X22 < 0, tính cảm, I sớm pha  Chấn tử phản xạ d = (0,15÷0,25)λ 2l < λ/2: X22 > 0, tính dung, I chậm pha  Chấn tử hướng xạ d = (0,1÷0,35)λ Ưu điểm: Có nhiều ưu điểm thống số điện, cấu trúc đơn giản, thích hợp với loại máy thu truyền hình gia đình Nhược điểm: Anten dải hẹp, chiều dài chấn tử chủ động cố định λ/2 Anten Logarit chu kỳ: Cấu tạo • Nhiều chấn tử có độ dài khác nhau, đặt khoảng cách khác • Kích thước khoảng cách anten thay đổi theo tỉ lệ gọi chu kỳ anten τ= d l d1 d l l = = = n −1 = = = = n −1 d d3 dn l2 l3 ln PHOTO HUYỀN TRANG 67 Đặt song song với mặt phẳng Tiếp điện cho tất chấn tử • Tiếp điện đồng pha Nguyên lý hoạt động • Tần số kích thích f0: Chấn tử l0 = λ0/2 đóng vai trò chấn tử chủ động (trở kháng vào trở = 73,1Ω) • Các chấn tử khác có thành phần điện kháng, giá trị phụ thuộc độ dài so với chấn tử cộng hưởng • Tiếp điện so le, chấn tử phía trước (l < l0) thoả mãn điều kiện chấn tử hướng xạ, chấn tử phía sau (l > l0) thoả mãn điều kiện chấn tử phản xạ • Miền xạ anten chủ yếu tạo chấn tử cộng hưởng vài chấn tử lân cận Công thức xác định tần số làm việc • • • • f n = τ n −1 f1  fn  ln  ÷ = ( n − 1) ln τ  f1  PHOTO HUYỀN TRANG 68 • • • Anten Loa: Cấu tạo • Thuộc loại anten xạ mặt • Là đoạn ống dẫn sóng có đầu hở • Miệng ống dẫn sóng mở thon dần để trở kháng sóng biến đổi Nguyên lý hoạt động: • Năng lượng cao tần đến cổ loa dạng sóng phẳng • Sóng phân kỳ theo thân loa tới miệng loa • Tại miệng loa lượng sóng xạ không gian với dạng sóng cầu • Chọn góc mở thích hợp • Loa E: b12 Ropt = 2λ • Loa H: Ropt • Loa hình nón: R • • a12 = 3λ ( R0 ) = 2, 4λ − 0,15λ Đồ thị tính hướng Độ rộng búp sóng: • Loa E: PHOTO HUYỀN TRANG 69 λ 2θ = 51 b1 λ 2θ 0E = 1150 b1 E • Loa H: λ 2θ = 51 a1 H λ 2θ = 172 a1 H • • • 0 Anten Parabol: Cấu tạo • Bộ xạ sơ cấp: Sử dụng anten chấn tử đối xứng anten loa Vị trí đặt tiêu điểm parabol • Mặt phản xạ: Hình parabol tròn xoay với hệ số phản xạ cao Nguyên lý hoạt động • Tính chất quan học gương parabol FO + OO’ = FA + AB = f + h = Const PHOTO HUYỀN TRANG 70 • • • Các tia sau phản xạ đến miệng gương với quãng đường nhau, miệng gương mặt sóng mặt phẳng Đồ thị tính hướng: Độ rộng búp sóng: θ3dB = 2θ θ3dB = 2θ 2 21 = fd 70λ = d PHOTO HUYỀN TRANG (o ) 71 • Hệ số tính hướng, hệ số khuyếch đại 4π Sη  π d  D= = ÷ λ2  λ  D ( dBi ) = 20 lg d m + 20 lg f GHz + 20, 4π Sη  π d  G= = ÷η λ  λ  G (dBi ) = 20 lg d ( m) + 20 lg f ( GHz ) + 10 lg η + 20, 18.Cấp điện cho anten chấn tử đối xứng • Cấp điện dây song hành: • Yêu cầu: đường dây song hành đặc biệt có trở kháng thấp để tăng hiệu suất truyền dẫn • Trở kháng sóng đường dây song hành xác định theo công thức: 276 D Zo = lg d εr Trong : D khoảng cách hai dây dẫn tính từ tâm d đường kính dây dẫn PHOTO HUYỀN TRANG 72 εr hệ số điện môi tương đối môi trường bao quanh dây dẫn  • Phải giảm tỷ số D/d o Có thể giảm D cách chế tạo dây song hành dùng chất điện môi có hệ số điện môi lớn bên bọc vỏ kim loại o Có thể tăng đường kính d cách dùng đường dây có nhiều sợi Chấn tử kiểu Y: • Chấn tử nối ngắn mạch giữa, đường dây song hành mắc vào hai điểm A-A chấn tử • Trở kháng vào A-A Rv ≈ RAA • sin ( kl ) ≈ Z AA 73,1 Chấn tử kiểu T: PHOTO HUYỀN TRANG 73 Tương tự chấn tử kiểu Y Nhưng đoạn fiđơ chuyển tiếp OA biến dạng thành đoạn dây song hành với chấn tử nên cần phải tính đến khác biệt trở kháng sóng so với đoạn fiđơ bỏ qua hiệu ứng xạ Chấn tử vòng dẹt: • Là chấn tử kép gồm hai chấn tử nửa sóng có đầu cuối nối với Một hai chấn tử tiếp điện chấn tử ngắn mạch • Công suất xạ chấn tử vòng dẹt: • • ' Pbx = I Rbx R’bx điện trở xạ chấn tử vòng dẹt I0 dòng điện điểm cấp điện PHOTO HUYỀN TRANG 74 • • • Cấp điện cáp đồng trục Sử dụng ở dải sóng cực ngắn Do tần số tăng cao hiệu ứng xạ tăng dẫn đến tổn hao lượng méo dạng đồ thị phương hướng chấn tử Cần có thiết bị chuyển đổi mắc fiđơ chấn tử Thiết bị gọi thiết bị biến đổi đối xứng B Bài tập Bài tập phần truyền sóng: Chương 1, 2, Bài tập phần anten: Chương 4, 5, PHOTO HUYỀN TRANG 75