Bài giảng môn học TRUYỀN SÓNG ANTEN radiowave propagation and antenna

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ BẮC HÀ Bài giảng mơn học TRUYỀN SÓNG & ANTEN Radiowave Propagation and Antenna MỞ ĐẦU  Tên học phần: Truyền sóng anten (Radiowave Propagation and Antenna)  Thời lượng kiến thức: 4ĐVHT - 60 tiết  Mục tiêu môn học: Sau học xong học phần này, SV đạt lực sau đây: - Kiến thức: Các kiến thức truyền sóng; đặc điểm biểu thức truyền lan sóng vơ tuyến (đặc biệt sóng cực ngắn) Ngun lý xạ thông số anten (đặc biệt anten chấn tử đối xứng) - Kỹ năng: Sinh viên tự tìm hiểu thơng tin học, nội dung có liên quan áp dụng kiến thức vào thực tế GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà MỞ ĐẦU  Nội dung học phần: Chương 1: Cơ sở truyền sóng vơ tuyến Chương 2: Truyền lan sóng cực ngắn Chương 3: Lý thuyết chung anten Chương 4: Chấn tử đối xứng Chương 5: Anten dùng thông tin viba  Tài liệu tham khảo: Nguyễn Phạm Anh Dũng, Phạm Thị Thúy Hiền, Truyền sóng - Anten, Bài giảng, Học viện công nghệ BCVT, 12/2006 Phan Anh, Trường điện từ truyền sóng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2002 Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB KHKT, 2004 GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà MỞ ĐẦU  Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên TCCN: A, B = ( CC *1 + GK * 2) + Thi A,B: Điểm kết thúc học phần (thang điểm 10 làm tròn đến chữ số thập phân) CC: Điểm chuyên cần (nghỉ tiết trừ điểm) (hệ số - thang điểm A,B) GK: Điểm thi kỳ (hệ số - thang điểm A,B)  Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên CĐCQ CĐLT: A = CC * 0,1 + GK * 0,2 + Thi * 0,7 A: Điểm kết thúc học phần (thang điểm 10, làm tròn đến số nguyên) CC: Điểm chuyên cần (nghỉ tiết trừ điểm - trọng số 10% - thang điểm A GK: Điểm thi kỳ (trọng số 20% - thang điểm A) GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà Bài giảng môn Truyền sóng Anten CHƯƠNG CƠ SỞ TRUYỀN SĨNG VÔ TUYẾN GV: ThS Đinh Thành Trung Email: trungdt38@gmail.com Mobile: +84912.686.696 Chương 1: Cơ sở truyền sóng vơ tuyến NỘI DUNG 1.1 Một số khái niệm 1.2 Tính chất sóng điện từ 1.3 Phân loại sóng điện từ 1.4 Vấn đề phân cực sóng 1.5 Truyền lan sóng khơng gian tự 1.6 Bài tập GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà Chương - Phần 1.1 1.1 Một số khái niệm bản: 1.1.1 Mơ hình hệ thống viễn thông GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà Chương - Phần 1.1 1.1.2 Mơi trường truyền sóng - Đất - Khí quyển: + Tầng đối lưu 0-12km + Tầng bình lưu 13-80km + Tầng điện ly 81-720km - Khơng gian hành tinh 1.1.3 Phương tiện truyền sóng Sóng điện từ (sóng vơ tuyến) Điện ly Bình lưu Đối lưu Trái đất GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà Chương - Phần 1.2 1.2 Tính chất sóng điện từ: 1.2.1 Khái niệm: Sóng điện từ trình biến đổi lượng tuần hồn điện trường từ trường làm cho lượng điện từ lan truyền khơng gian 1.2.2 Đặc điểm: - Sóng điện từ có thành phần: Điện trường E (V/m) Từ trường H (V/m) hai đại lượng vectơ (có phương, chiều, độ lớn) có quan hệ mật thiết với q trình sóng truyền lan khơng gian - Sóng điện từ lan truyền mơi trường kể môi trường chân không GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà Chương - Phần 1.2 1.2 Tính chất sóng điện từ: 1.2.2 Đặc điểm: - Sóng điện từ sóng ngang (có phương truyền sóng vng góc với phương dao động phần tử vật chất sóng truyền qua) - Sóng điện từ tuân theo định luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, giao thoa - Sóng điện từ mang lượng, tần số cao lượng sóng lớn, sóng truyền xa - Các nguồn xạ sóng điện từ thường có dạng sóng cầu sóng trụ, nghiên cứu ta chuyển sóng phẳng GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 10 Chương - Phần 5.3 5.3 Anten Khe nửa sóng Là anten chủ yếu dùng cho băng viba Khe xạ có dạng chữ nhật (khe thẳng) hình tròn (khe hình vành khăn) Là anten cắt mặt kim loại có hình dạng kích thước khác (kích thước >λ): cắt thành ốc cộng hưởng; thành ống dẫn sóng hình chữ nhật tròn; kim loại phẳng z Là anten có chiều dài cắt λ/2 (khe chỉ xạ vào nửa không gian) E λ/2 y x Anten khe nửa sóng GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 176 Chương - Phần 5.3 - Nguyên lý làm việc: + Do có sức điện động đặt vào khe → xuất đường sức điện trường ⊥ với mép khe (U=E.b; b: độ rộng khe) + Mỗi nửa khe coi đoạn dây song hành (2 nhánh dây mép khe) + Khe tương đươngvới l  dipol từ Phân bố dòng điện: I m = −2U bkhe sin  − z  2  với (5.9) Ubkhe=U0khe: điện áp điểm bụng sóng đứng (là điện áp điểm khe l=λ/2) l=λ/2: chiều dài khe GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 177 Chương - Phần 5.3 - Nguyên lý làm việc: + Trường xạ: π  cos  cosθ ÷ U khe 2  e −ikr Eϕ = i πr sinθ π  cos  cosθ ÷ U 2  e − ikr Hθ = −i khe Zπ r sinθ Đồ thị tính hướng mp H với l = λ (5.10) Đồ thị tính hướng mp E GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 178 Chương - Phần 5.4 5.4 Nguyên lý xạ mặt - Mục đích: Để anten có tính hướng hẹp (D↑) sử dụng loại anten theo nguyên lý xạ mặt - Mặt xạ anten: Là bề mặt kích thích trường điện từ xạ từ nguồn sơ cấp (E⊥H) trở thành nguồn xạ thứ cấp - Khẩu độ anten: mặt xạ phẳng (mặt mở anten) - Một số anten xạ mặt điển hình (thường dùng thực tế dải sóng cực ngắn): + Anten loa + Anten thấu kính + Anten gương parabol GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 179 Chương - Phần 5.5 5.5 Anten Loa - Cấu tạo: + Là kiểu anten xạ mặt đơn giản Là đoạn ống dẫn sóng có đầu hở + Mở rộng kích thước miệng ống có loại anten loa: - Nếu ống dẫn sóng ống chữ nhật kích thước miệng ống mở rộng mặt xạ H → loa H - Nếu ống dẫn sóng ống chữ nhật kích thước miệng ống mở rộng mặt xạ E → loa E - Nếu ống dẫn sóng ống chữ nhật kích thước miệng ống mở rộng mặt xạ E H → loa hình tháp - Nếu ống dẫn sóng hình tròn → loa hình nón GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 180 Chương - Phần 5.5 5.5 Anten Loa Nón vách nhẵn Loa E Nón vách gấp nếp Hình tháp Loa H GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 181 Chương - Phần 5.5 5.5 Anten Loa - Nguyên lý làm việc: + Năng lượng cao tần đến cổ loa dạng sóng phẳng + Một lượng phản xạ trở lại, phần lớn tiếp tục truyền đến miệng loa dạng sóng phân kỳ (sự phản xạ sóng cổ loa lớn góc mở lớn) + Ở miệng loa: phần nhiều lượng xạ ngồi dạng sóng cầu, phần phản xạ trở lại (phản xạ nhỏ miệng loa lớn A + Muốn miệng loa lớn để xạ mạnh L → tăng góc mở loa (điều z làm tăng phản xạ sóng R b1 O C 2φ cổ loa) ⇒ Chọn góc mở độ dài loa cho thích hợp Cổ loa Miệng loa GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà B 182 Chương - Phần 5.5 5.5.1 Loa E - Chiều dài L từ tâm pha O đến mép loa (đoạn thẳng OA) OA = L = R + (0,5b1 ) (5.11) - Hiệu đường tia sóng từ O đến A (L) từ O đến C (R) là: b ∆L = OA − OC = L − R = R + (0,5b1 ) − R = 2 8R (5.12) ⇒ Loa E, để có tính hướng tốt thì: R≥ b12 R≥ a12 5.5.2 Loa H 2λ (5.13) 3λ (5.14) 5.5.3 Loa hình nón ( R0 ) R≥ − 0,15λ ( R0 : bán kính miêng loa ) 2,4λ (5.15) GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 183 Chương - Phần 5.6 5.6 Anten Gương Parabol - Cấu tạo: + Bộ xạ sơ cấp: Sử dụng anten chấn tử đối xứng anten loa Vị trí đặt tiêu điểm parabol Bức xạ sóng cầu (với gương parabol tròn xoay) hay nguồn xạ thẳng dọc theo trục tiêu (gương parabol trụ) + 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 GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 184 Chương - Phần 5.6 5.6 Anten Gương Parabol - Nguyên lý làm việc:  Dựa nguyên lý làm việc gương quang học + Bộ xạ sơ cấp: Bức xạ sóng điện từ với mặt sóng hướng truyền lan xác định + Mặt phản xạ (gương): Biến đổi thành sóng thứ cấp với mặt sóng hướng truyền lan theo yêu cầu nhờ kết cấu mặt phản xạ làm việc theo nguyên lý gương quang học GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 185 Chương - Phần 5.6 5.6 Anten Gương Parabol - Nguyên lý làm việc:  Anten gương thường có tính hướng cao + Sóng thứ cấp sóng phẳng, tập chung lượng không gian hẹp + Tính chất quang học gương parabol FO + OO’ = FA + AB = f + h = Const + Các tia sau phản xạ đến miệng gương với quãng đường nhau, miệng gương mặt sóng mặt phẳng GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 186 Chương - Phần 5.6 5.6 Anten Gương Parabol - Các thơng số kỹ thuật: + Độ rộng búp sóng (góc nửa cơng suất) anten θ 3dB = 2θ1/ = 21 fd ( đô ) hay θ 3dB = 2θ1/ = 70λ d (5.16) + Hệ số tính hướng hệ số khuếch đại (ở hướng cực đại) D= G= 4πSη λ2 4πSη λ2  πd  =   λ  2  πd  =  η  λ  (5.17) đó: d: đường kính miệng gương (m) S: diện tích thực miệng anten (S=πd2/4) G ( dBi ) = 20 lg d ( m ) + 20 lg f ( GHz ) + 10 lgη + 20,4 GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà (5.18) 187 Chương - Phần 5.7 - Bài tập Bài 1: Một anten parabol đường kính 5m, hiệu suất làm việc 65% tần số 6GHz Hãy xác định: a Diện tích mặt mở hiệu dụng anten b Hệ số khuếch đại anten c Độ rộng búp sóng Bài 2: Một anten gương parabol có hệ số khuếch đại 50dBi, hiệu suất làm việc 60% Tính góc nửa cơng suất Bài 3: Một anten phát có hệ số khuếch đại 40dBi, anten có cơng suất phát để anten thu gương parabol có đường kính miệng 0,9m; hiệu suất làm việc 55% đặt cách anten phát 50km nhận cơng suất -70dbW Sóng truyền không gian tự Bài 4: Một anten gương parabol có hệ số khuếch đại 40dBi, hiệu suất làm việc 60% làm việc tần số 4Ghz Tính đường kính miệng gương độ rộng búp sóng GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 188 Chương - Phần 5.7 - Bài tập Bài 5: Một anten parabol đường kính 2m, hiệu suất làm việc 55% tần số 6GHz, công suất xạ 5W Hãy xác định: a Công suất xạ đẳng hướng tương đương b Hệ số khuếch đại anten c Độ rộng búp sóng Bài 6: Một anten gương parabol có hệ số khuếch đại 30dBi, công suất phát anten 5W Ở cự ly 50km đặt anten thu gương parabol có đường kính miệng 1,5m Tính: a Cơng suất anten thu nhận b Tổn hao truyền sóng Bài 7: Một anten parabol có hệ số khuếch đại 30dBi, hiệu suất làm việc 60% Tính góc nửa cơng suất Bài 8: Một anten parabol có góc nửa cơng suất 1,20 Xác định hệ số khuếch đại biết hiệu suất làm việc 55% GV: Đinh Thành Trung - Khoa Điện tử - Trường CĐCN Bắc Hà 189 Bài giảng môn Truyền sóng Anten THANKS YOU! GV: ThS Đinh Thành Trung Email: trungdt38@gmail.com Mobile: +84912.686.696 ...MỞ ĐẦU  Tên học phần: Truyền sóng anten (Radiowave Propagation and Antenna)  Thời lượng kiến thức: 4ĐVHT - 60 tiết  Mục tiêu môn học: Sau học xong học phần này, SV đạt lực sau... Thị Thúy Hiền, Truyền sóng - Anten, Bài giảng, Học viện công nghệ BCVT, 12/2006 Phan Anh, Trường điện từ truyền sóng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2002 Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB KHKT,... Electromagnetic): sóng khơng có E H theo hướng truyền sóng - Sóng TE (Transverse Electric): sóng có H (khơng có E) theo hướng truyền sóng - Sóng TM (Transverse Magnetic): sóng có E (khơng có H) theo hướng truyền