Truyền sóng anten ts nguyễn phạm anh dũng ths phạm thị thúy hiển, 147 trang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG 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 Quá 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 vô tuyến điện anten.Tài liệu bao gồm giảng môn học "Truyền sóng anten" biên soạn theo chương trình đại học công nghệ viễn thông Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông 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 hoàn chỉnh thêm kiến thức môn 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 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 vô tuyến điện - Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số bước sóng - Các phương pháp truyền lan sóng môi trường thực - Công 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 vô tuyến điện băng sóng vô tuyến - Hiểu phương pháp truyền lan sóng môi trường thực - Nắm cách tính toán tham số truyền sóng không gian tự 1.2 NHẮC LẠI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA SÓNG 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 trình truyền lan mô tả hệ phương trình Maxwell, viết dạng khác Giả sử ta xét sóng phẳng truyền lan môi trường điện môi đồng đẳng hướng có tham số: hệ số điện môi ε hệ số từ thẩm μ, dòng điện điện tích ngoài, 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 môi trường Nếu môi trường truyền sóng chân không (còn gọi không gian tự do) tham số môi 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) ε 0μ Z0 = μ ε0 = 120π (Ω) Trong thực tế sóng điện từ thường biến đổi điều hòa theo thời gian Đối với sóng điện từ phức tạp ta coi tổng vô số dao động điều hòa, 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 môi trường mà 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 công suất ( hay gọi thông lượng lượng), biểu thị véc G G G G G tơ lượng k = [E × H] Như sóng điện từ có véc tơ E H nằm mặt phẳng G vuông góc với phương truyền sóng k Bởi sóng điện từ truyền môi 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 SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN Trường điện từ sóng vô 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 G G G G G Pointing: k = [E × H] Điều có nghĩa vectơ E H nằm mặt phẳng vuông góc G 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 vô tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực tròn phân cực elip 1.3.1 Phân cực thẳng Hầu hết truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, phân cực đứng gọi phân cực trường điện vuông 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 không gian, vectơ trường sóng biểu thị thành phần thẳng đứng nằm ngang sau: G G E y = a y Eysinωt G G E x = a x Exsinωt (1.4) (1.5) G G 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 G 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 G sóng phân cực ngang, lúc vectơ E song song với mặt đất; α = 900 ta có sóng G phân cực đứng, vectơ E vuông góc với mặt G 2 | E |= E y + E x G ay G ax 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: G G E y = a y E0 sinωt G G 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 G trường hợp này, vectơ E có biên độ không đổi hướng thay đổi liên tục theo thời G 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 tròn có bán kính độ dài vectơ Đó tượng phân cực tròn Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng ωt = 90 ωt = 180 0 ωt ωt = 270 RHC §iÓm nh×n theo IEEE z LHC §iÓm nh×n theo IEEE z Hình 1.3 Phân cực tròn Hướng phân cực tròn 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), phân cực tròn 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: G G E y = a y Eysinωt G G E = a x Excos(ωt+δ) (1.8a) (1.8b) Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng Tỷ số sóng phân cực elip tỷ số trục trục phụ elip Phân cực elip trực giao xẩy sóng có tỷ số phân cực phương quay ngược chiều 1.4 PHÂN CHIA SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN THEO TẦN SỐ VÀ BƯỚC SÓNG 1.4.1 Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện Sóng điện từ nói chung ứng dụng rộng rãi đời sống nhiều lĩnh vực khác y học, quốc phòng, thăm dò tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu vũ trụ, thông tin liên lạc Dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm truyền lan để phân chia sóng vô tuyến điện thành băng sóng khác Sóng cực dài: Những sóng có buớc sóng lớn 10.000 m (tần số thấp 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 MHz) Sóng ngắn: Những sóng có buớc sóng từ 100 đến 10 m (Tần số từ đến 30 MHz) Sử dụng cho thông tin phát 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 chia nhỏ thành số băng tần số Tiếp đến băng sóng gần ánh sáng, hồng ngoại, ánh sáng trắng, tia cực tím, tia X… Khoảng tần số từ 30 Hz đến 3000 GHz chia thành 11 băng tần bảng 1.1 1.4.2 Các băng sóng vô tuyến điện ứng dụng Mỗi băng sóng ứng dụng cho hệ thống thông tin khác đặc điểm truyền lan sóng môi trường thực Băng sóng cực dài sử dụng lĩnh vực vật lý, thông tin vô tuyến đạo hàng, thông tin biển Băng sóng dài băng sóng trung sử dụng cho thông tin phát nội địa, điều biên; thông tin hàng hải; vô tuyến đạo hàng Băng sóng ngắn sử dụng cho phát điều biên cự ly xa số dạng thông tin đặc biệt Băng sóng mét sử dụng cho phát điều tần truyền hình Băng sóng decimét sử dụng cho truyền hình, hệ thống thông tin vi ba số băng hẹp, thông tin di động Băng sóng centimét sử dụng cho thông tin vi ba số băng rộng, thông tin vệ tinh Băng sóng milimét sử dụng hạn chế cho thông tin vệ tinh với băng Ka, dùng cho thông tin vũ trụ Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng Bảng 1.1 Tên băng tần (Băng sóng) Ký hiệu Phạm vi tần số Tần số vô thấp ULF 30 - 300 Hz Tần số cực thấp ELF 300 - 3000 Hz Tần số thấp VLF - 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 - 30 MHz Tần số cao (sóng mét) VHF 30 - 300 MHz Tần số cực cao (sóng decimet) UHF 300 - 3000 MHz Tần số siêu cao (sóng centimet) SHF - 30 GHz Tần số vô (sóng milimet) EHF 30 - 300 GHz Dưới milimet 300 - 3000 GHz 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC Sơ lược bầu khí Bầu khí trái đất chia làm vùng chính: tầng đối lưu, tầng bình lưu tầng điện ly Biên giới tầng không rõ ràng thay đổi theo mùa theo vùng địa lý Tính chất vùng khác Tầng đối lưu khoảng không gian tính từ bề mặt trái đất lên đến độ cao đến 11 km Nhiệt độ không khí tầng đối lưu thay đổi theo độ cao (nhiệt độ giảm độ cao tăng) Ví dụ nhiệt độ bề mặt trái đất 100C giảm đến -550C biên tầng đối lưu Tầng bình lưu biên tầng đối lưu có phạm vi khoảng 50 km Đặc điểm tầng nhiệt độ không thay đổi theo độ cao Tầng điện ly tồn độ cao khoảng từ 60 km đến 600 km Lớp khí tầng mỏng bị ion hóa mạnh chủ yếu xạ mặt trời, có xạ sao, tia vũ trụ, chuyển động thiên thạch tạo thành miền bao gồm chủ yếu điện tử tự ion Bên cạnh đó, tính chất vật lý băng sóng mà băng sóng có phương thức truyền lan thích hợp để đạt hiệu Do đó, tùy theo môi trường truyền sóng có bốn phương thức truyền lan sau: truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng không gian, truyền lan sóng trời (sóng điện ly), truyền lan sóng tự Sóng bề mặt sóng không gian gọi sóng đất (cùng truyền lan tầng đối lưu) nhiên chúng có khác rõ rệt 1.5.1 Truyền lan sóng bề mặt Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc trực tiếp với bề mặt trái đất Bề mặt đất môi trường bán dẫn điện, sóng điện từ xạ từ anten đặt thẳng đứng mặt đất, Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng đường sức điện trường khép kín nhờ dòng dẫn bề mặt đất hình 1.4 Nếu gặp vật chắn đường truyền lan, sóng nhiễu xạ qua vật chắn truyền lan phía sau vật chắn A Phát B Thu Hình 1.4: Quá trình truyền lan sóng bề mặt Như truyền lan sóng bề mặt dùng để truyền tất băng sóng Tuy nhiên, sóng bề mặt bị suy giảm nhiều hấp thụ trái đất Sự suy giảm phụ thuộc vào tần số, tần số tăng suy giảm lớn Hơn khả nhiễu xạ qua vất chắn đường truyền phụ thuộc vào độ cao tương đối vật chắn so với bước sóng Với loại đất có độ dẫn điện lớn mặt biển, đất ẩm sóng bị suy hao đất, làm cho cường độ trường điểm thu tăng lên Các sóng vô tuyến điện có bước sóng lớn khả nhiễu xạ mạnh bị mặt đất hấp thụ nhỏ Bởi sóng bề mặt sử dụng để truyền lan băng sóng dài sóng trung hệ thống phát điều biên, hay sử dụng cho thông tin biển 1.5.2 Truyền lan sóng không gian Lớp khí bao quanh đất có độ cao từ đến 11km (với tầng đối lưu tiêu chuẩn), gọi tầng đối lưu Các tượng thời tiết sương mù mưa, bão, tuyết xẩy tầng đối lưu ảnh hưởng lớn đến trình truyền lan sóng vô tuyến điện Nếu hai anten thu phát đặt cao (nhiều lần so với bước sóng công tác) mặt đất sóng truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, phản xạ từ mặt đất hình 1.5a, lợi dụng không đồng vùng tầng đối lưu để tán xạ sóng vô tuyến dùng cho thông tin gọi thông tin tán xạ tầng đối lưu hình 1.5b Các phương thức thông tin gọi truyền lan sóng không gian hay sóng tầng đối lưu Phương thức truyền lan sóng không gian thường sử dụng cho thông tin băng sóng cực ngắn (VHF, UHF, SHF), truyền hình, hệ thống vi ba hệ thống chuyển tiếp mặt đất, hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh Phương thức truyền lan sóng không gian nghiên cứu kỹ chương II Vùng a) không b) đồng Phát Thu Hình 1.5: Truyền lan sóng không gian 10 Phát Thu Chương 6: Anten dùng thông tin viba F (θ E ) = F (θ H ) Z cosθ J1 ( ka sin θ E ) Zs Z ka sin θ E 1+ Zs 1+ (6.31) Z + cosθ J1 ( ka sin θ H ) Zs = Z ka sin θ H 1+ Zs Trong trường hợp mặt xạ tròn, hàm tính hướng tổ hợp có dạng J(u)/u Đồ thị hàm số vẽ hình 6.18 Để tiện so sánh, hình vẽ vẽ đồ thị hàm sinu/u Từ hình vẽ ta thấy dạng đồ thị hai hàm giống Do đó, mặt phẳng E H dạng đồ thị phương hướng mặt xạ hình tròn giống dạng đồ thị phương hướng mặt xạ chữ nhật Độ rộng búp sóng hướng xạ không xác định theo công thức: 2θ ≈ 2, 41 λ 2a (rad ) (6.32) Độ rộng búp sóng góc nửa công suất xác định theo công thức: 2θ = 1, 02 λ 2a (rad ) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 J(u)/u Sinu/u π 2π 3π Hình 18 (6.33) 6.5.2 Các kiểu anten xạ mặt Các anten xạ mặt thường sử dụng dải sóng cực ngắn Một số anten điển hình anten loa, anten thấu kính, anten gương parabol, anten gương kép… Phần sau xem xét kỹ loại anten 6.6 ANTEN LOA 6.6.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc Anten loa cấu tạo từ anten ống dẫn sóng, kiểu anten xạ mặt đơn giản Lý thuyết ống dẫn sóng biết sóng truyền tới miệng ống dẫn sóng hở phần lượng sóng phản xạ trở lại phần lượng xạ không gian bên Trường miệng ống trường tổng hợp sóng tới sóng phản xạ Nếu mở rộng kích thước miệng ống theo phương án khác ta nhận kiểu anten loa khác 129 Chương 6: Anten dùng thông tin viba Nếu ống dẫn sóng ống chữ nhật kích thước miệng ống mở rộng mặt phẳng chứa vectơ từ trường loa gọi loa mở theo mặt H, viết tắt loa H Nếu ống dẫn sóng chữ nhật kích thước mở rộng mặt phẳng chứa vectơ điện trường ta loa mở theo mặt điện trường (loa E) Nếu ống dẫn sóng chữ nhật kích thước mở rộng theo hai mặt phẳng chứa vectơ điện trường, từ trường ta loa hình tháp Nếu ống dẫn sóng hình tròn ta có loa hình nón b) a) c) d) e) a a a1 b b b1 Hình 6.19 Các anten loa: a) Nón vách nhẵn b) Nón vách gấp nếp c) loa hình tháp d) loa E e) loa H Để khảo sát nguyên lý làm việc anten loa ta khảo sát mặt cắt dọc anten loa (hình 6.20 ) L O R 2φ0 z b1 Cổ loa Hình 6.20 Miệng loa Năng lượng cao tần truyền theo ống dẫn sóng đến cổ loa dạng sóng phẳng phần lượng phản xạ trở lại đại phận tiếp tục truyền theo thân loa dạng sóng phân kỳ tới miệng loa Tại miệng loa phần lớn lượng xạ ngoài, phần phản xạ trở lại Sự phản xạ sóng cổ loa lớn góc mở loa lớn phản 130 Chương 6: Anten dùng thông tin viba xạ sóng miệng loa nhỏ kích thước miệng loa lớn Sóng truyền loa coi sóng cầu có tâm pha O, mặt phẳng miệng loa mặt đồng pha Nếu loa có chiều dài R cố định, muốn diện tích miệng loa lớn để tạo xạ mạnh góc mở loa phải lớn Nhưng điều làm cho sóng phản xạ miêng loa lớn sai pha phần tử xạ miêng loa lớn, gây méo pha theo hướng trục z, làm xấu tính hướng anten Bởi tính toán anten loa chọn góc mở độ dài R loa thích hợp, để anten loa có tính hướng tốt a, Xét trường hợp loa E Chiều dài từ tâm pha O đến mép loa L xác định theo công thức: L = R + (0,5b ) Hiệu đường tia sóng từ tâm pha đến mép miệng loa với tâm loa : ΔL = L − R = R + (0,5b ) 2 b 12 −R= 8R gây lệch pha phần tử nằm mép loa so với tâm loa góc k ΔL Trong mặt phẳng E để có tính hướng tốt góc lệch pha cho phép mặt phẳng E k ΔL ≤ π/2 Ta có: b2 2π b12 π ≤ ⇒R≥ λ 8R 2λ (6.34) b, Xét trường hợp loa H Cũng chứng minh tương tự trường hợp loa E, mặt phẳng H điện trường E mép loa 0, có nghĩa phần tử nguyên tố xạ mặt xa tâm loa xạ yếu đi, thành phần điện trường tiếp tuyến bề mặt nguyên tố giảm dần mép loa Bởi cho phép góc lệch pha phần tử xạ tâm loa so với phần tử xạ mép loa lón trường hợp cho mặt phẳng E, nghĩa k.ΔL ≤ 0,75π từ ta có: R ≥ a12 3λ (6.35) c, Xét trường hợp loa hình nón R ( R0 ) ≥ 2, 4λ − 0,15λ (6.36) Với R0 bán kính miệng loa Loa có chiều dài loa R thỏa mãn điều kiện biểu thức (6.34), (6.35), (6.36) gọi loa tối ưu, ta có Loa E: Loa H: Ropt = Ropt b12 2λ a12 = 3λ θ =00 Hình 6.21 Đồ thị phương hướng anten loa 131 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 2θ 1E = 510 b1 2θ = 115 E λ (6.37) b1 Đối với anten loa H , độ rộng búp sóng xác định 2θ 1H = 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 công 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 thông 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 không 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) tròn 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 trục tiêu (gương parabol trụ), hình 6.22 Tiªu ®iÓm 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 vuông 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 vuông góc với trục chứa đường chuẩn (đường vuông góc với FO qua điểm đối xứng với F qua đỉnh O trục, độ dài đường chuẩn đường kính miệng gương parabol 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 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 góc 2Ψ0 F F (f/d) < 0,25 (f/d) = 0,25 F (f/d) > 0,25 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 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 búp sóng có búp sóng phụ Độ rộng búp sóng θ3dB hay góc nửa công 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 thông tin viba Trong đó: f tần số công tác (GHz), d đường kính miệng gương (m), λ bước sóng công 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 vuông góc Hiệu suất làm việc anten parabol Ở anten parabol 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 công 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 thông 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 công suất θ3dB = 21 21 = = 1, 750 fd 6.2 b, Hệ số khuếch đại tính theo công 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 tròn xoay 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 không 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 thông 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 tròn 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 thông 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 thông 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 vô 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 thông 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 đòi 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 tròn xoay phản xạ parabol tròn xoay Anten Gregorian có phản xạ parabol tròn 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 thông 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 rông 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 rông 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 công suất a ) 0,440; (b) 0,540; (c) 0,640; (d) 0,740 13 Một anten có góc nửa công 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 công 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 không 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 B 0 0 a ) 1,5 ; (b) 1,7 ; (c) 2,5 ; (d) 2,7 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 công suất a ) 4,380; (b) 5,380; (c) 6,380; (d) 7,380 20 Một anten có góc nửa công 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 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 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 vô tuyến điện 1.4 Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số bước sóng 1.5 Các phương pháp truyền lan sóng môi trường thực 1.6 Công thức truyền sóng không 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 không 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 SÓNG VÔ TUYẾN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 43 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Mở đầu 3.3 Kênh truyền sóng miền không 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 mô 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 57 60 61 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 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 iv [...]... pháp truyền lan sóng, có bốn phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực đó là: truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng không gian, truyền lan sóng trời và truyền lan sóng tự do Mỗi phương thức truyền sóng sẽ được sử dụng để truyền lan cho băng sóng nhất định để đạt được hiệu quả lớn nhất Trong chương cũng đưa ra các công thức tính toán các thông số cơ bản của quá trình truyền sóng đó là mật độ... đến 300 GHz (ứng với bước sóng nhỏ hơn 10 m) và được chia thành 4 băng: Sóng mét: bước sóng từ 10 m đến 1m (30 - 300 MHz) Sóng decimét: bước sóng từ 1m đến 10 cm (300 - 3000 MHz) Sóng centimét: bước sóng từ 10 cm đến 1cm (3000- 30.000 MHz) Sóng milimétt: bước sóng ngắn hơn 1cm (tần số cao hơn 30.000 MHz) 2.2.1 Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu 20 Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn Tầng đối lưu... tại điểm thu khi sóng truyền lan trên mặt đất phẳng và anten đặt cao so với 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: 24 Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn F = 1 + 2 R cos ( θ + Δr 2 π / λ ) + R (2.8) 2 F biểu hiện cho ảnh hưởng của mặt đất phẳng lên quá trình truyền lan sóng không gian... cong trở về mặt đất và phản xạ nhiều lần để truyền đi xa Hình ảnh sóng truyền đi xa khi có hiện tượng siêu khúc xạ giống với quá trình truyền sóng trong một ống dẫn sóng mà thành trên của ống dẫn là giới hạn trên của miên siêu khúc xạ và thành dưới là mặt đất 21 Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn Lợi dụng tính chất trên của miền siêu khúc xạ để truyền lan sóng cực ngắn đi xa Tuy nhiên miền siêu khúc... 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 22 Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn 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 B Tia 1 A hr Tia 2 ht C r Hình 2.4 Mô hình truyền sóng. .. truyền trong không gian tự do (a) 3 W; (b) 3,5W; (c) 4 W; (d) 5 W 19 Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn CHƯƠNG 2 TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.1 Các chủ đề được trình bày trong chương - Các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn - Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiêp với các điều kiện lý tưởng - Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi kể đến ảnh hưởng của địa hình... hệ số suy giảm và cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu khi đường truyền có các thông số sau: công suất phát 15W, bước sóng truyền lan là 35cm, hệ số khuếch đại của anten phát là 200, chiều cao anten phát là 80m, chiều cao anten thu là 20m, cự ly đường truyền là 8km Biết khi sóng phân cực ngang R = 0,91 và θ = 1800 và khi sóng phân cực đứng R = 0,68 và θ = 1800 Giải Theo công thức (2.9) hiệu số... Bây giờ ta khảo sát bài toán truyền sóng trên mặt đất cầu (hình 2.9) 29 Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn B A h’r h’t C A1 B1 hr ht a O Hình 2.9 Mô hình truyền sóng trên mặt đất cầu Quá trình truyền lan sóng trên mặt đất cầu tương tự như mặt đất phẳng Trường tại điểm thu là kết quả giao thoa của hai tia: tia trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất Nếu qua điểm phản xạ của sóng trên mặt đất ta vẽ một mặt... chiết suất của lớp khí quyển n ≈ 1, thông tin vi ba có cự ly truyền sóng lớn hơn nhiều lần chiều cao của anten nên tia sóng truyền từ anten phát đến anten thu gần như nằm ngang, bởi vậy sinϕ ≈ 1, khi đó bán kính cong của quỹ đạo sóng được tính theo công thức đơn giản 6 R= 1 10 (m) = dn dN − − dh dh (2.31) Nhận xét: Bán kính cong của tia sóng khi đi qua tầng đối lưu phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của... truyền sóng Hình 1.8 cho ta thấy các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực của khí quyển quả đất Sóng tự do Không gian tự do Tầng điện ly Tầng bình lưu Sóng không gian Tầng đối lưu Sóng trời Mặt đất Sóng đất Hình 1.8 Các phương thức truyền sóng vô tuyến điện 1.6 CÔNG THỨC TRUYỀN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 1.6.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường Giả thiết có một nguồn bức