LỜI NÓI ĐẦU Các hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt là các hệ thống thông tin di động đã và đang phát triển rất mạnh mẽ. Quá trình truyền sóng và anten là những phần kiến thức không thể thiếu khi nghiên cứu về các hệ thống này. Mục đích của tài liệu này là cung cấp cho sinh viên các kiến thức căn bản nhất về truyền lan sóng vô tuyến điện và anten.Tài liệu bao gồm các bài giảng về môn học "Truyền sóng và anten" được biên soạn theo chương trình đại học công nghệ viễn thông của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Tài liệu này được xây dựng trên cơ sở sinh viên đã học các môn: Lý thuyết trường điện từ, Kỹ thuật siêu cao tần. Do hạn chế của thời lượng nên tài liệu này chỉ bao gồm các phần căn bản liên quan đến các kiến thức căn bản về truyền sóng và anten. Tuy nhiên học kỹ tài liệu này sinh viên có thể hoàn chỉnh thêm kiến thức của môn học bằng cách đọc các tài liệu tham khảo dẫn ra ở cuối tài liệu này. Tài liệu này được chia làm sáu chương. Được kết cấu hợp lý để sinh viên có thể tự học. Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài bài tập. Cuối tài liệu là đáp án cho các bài tập.
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG TRUYỀN SĨNG & ANTEN Biên soạn : TS NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG THS PHẠM THỊ THÚY HIỀN CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 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 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 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 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 khơng 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 không 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) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 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 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 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 G G G G G tơ lượng k = [E × H] Như sóng điện từ có véc tơ E H nằm mặt phẳng G vng góc với phương truyền sóng k Bởi sóng điện từ truyền mơi trường đồng đẳng hướng sóng điện từ ngang TEM CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 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 G G G G G Pointing: k = [E × H] Điều có nghĩa vectơ E H nằm mặt phẳng vng 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 vơ tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực trịn 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: 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 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 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 ln song song với mặt đất; cịn α = 900 ta có sóng G phân cực đứng, vectơ E ln vng 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 khơng 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 trịn có bán kính độ dài vectơ Đó tượng phân cực tròn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng ωt = 90 ωt = 180 0 t t = 270 RHC Điểm nhìn theo IEEE z LHC Điểm nhìn theo IEEE z Hỡnh 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 trịn 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) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 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 SĨNG VƠ TUYẾN ĐIỆN THEO TẦN SỐ VÀ BƯỚC SĨNG 1.4.1 Ngun tắc phân chia sóng vơ 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 khống sản, nghiên cứu vũ trụ, thơng tin liên lạc Dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm truyền lan để phân chia sóng vơ 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 thơng 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 vơ tuyến điện ứng dụng Mỗi băng sóng ứng dụng cho hệ thống thông tin khác đặc điểm truyền lan sóng mơi trường thực Băng sóng cực dài sử dụng lĩnh vực vật lý, thông tin vô tuyến đạo hàng, thơng tin biển Băng sóng dài băng sóng trung sử dụng cho thơng tin phát nội địa, điều biên; thông tin hàng hải; vơ tuyến đạo hàng Băng sóng ngắn sử dụng cho phát điều biên cự ly xa số dạng thơng 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 thơng tin vi ba số băng rộng, thông tin vệ tinh Băng sóng milimét sử dụng hạn chế cho thơng tin vệ tinh với băng Ka, dùng cho thông tin vũ trụ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng Bảng 1.1 Tên băng tần (Băng sóng) Ký hiệu Phạm vi tần số Tần số vơ 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 vơ (sóng milimet) EHF 30 - 300 GHz Dưới milimet 300 - 3000 GHz 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SĨNG TRONG MƠI 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 khơng 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, ngồi cịn 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 mơi trường truyền sóng có bốn phương thức truyền lan sau: truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng khơng gian, truyền lan sóng trời (sóng điện ly), truyền lan sóng tự Sóng bề mặt sóng khơng 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 mơi trường bán dẫn điện, sóng điện từ xạ từ anten đặt thẳng đứng mặt đất, CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 1: Các vấn đề chung truyền sóng đường sức điện trường khép kín nhờ dịng 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: Q 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 vơ 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 thơng tin biển 1.5.2 Truyền lan sóng khơng 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 q trình truyền lan sóng vơ tuyến điện Nếu hai anten thu phát đặt cao (nhiều lần so với bước sóng cơng tác) mặt đất sóng truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, phản xạ từ mặt đất hình 1.5a, lợi dụng khơng đồng vùng tầng đối lưu để tán xạ sóng vơ tuyến dùng cho thơng tin gọi thông tin tán xạ tầng đối lưu hình 1.5b Các phương thức thơng tin gọi truyền lan sóng khơng gian hay sóng tầng đối lưu Phương thức truyền lan sóng khơng 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 khơng gian nghiên cứu kỹ chương II Vùng a) khơng b) đồng Phát Thu Phát Thu Hình 1.5: Truyền lan sóng khơng gian 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... gian, truyền lan sóng trời (sóng điện ly), truyền lan sóng tự Sóng bề mặt sóng khơng 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. .. băng sóng vơ tuyến ứng dụng Thứ ba đề cập đến phương pháp truyền lan sóng, có bốn phương pháp truyền lan sóng mơi trường thực là: truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng khơng gian, truyền lan sóng. .. lý băng sóng mà băng sóng có phương thức truyền lan thích hợp để đạt hiệu Do đó, tùy theo mơi trường truyền sóng có bốn phương thức truyền lan sau: truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng khơng