giáo trình anten chương 1

CHƯƠNG 1: TRUYỀN SĨNG (PROPAGATION) Truyền sóng khơng gian tự Truyền sóng tầng đối lưu Truyền sóng tầng điện ly Truyền sóng môi trường thông tin di động 1:19 PM Chương 1 Mục đích: Tìm hiểu đặc điểm, tính chất ảnh hưởng môi trường vô tuyến mạng không dây (wireless), chất thông số anten Nội dung: - Truyền sóng: khái niệm, cơng thức truyền sóng, đặc điểm sóng truyền lan mơi trường truyền - Anten : nguyên lý xạ, thơng số đặc tính anten, số anten thường gặp anten thông minh Yêu cầu: - Hiểu - Hiểu - Hiểu 1:19 PM - Hiểu rõ chất sóng điện từ chất kỹ thuật siêu cao tần kỹ toán học (giải tích hình học) Chương xác suất, thống kê Tài liệu tham khảo: [1] Lê Tiến Thường, Trần Văn Sư – Anten truyền sóng – ĐHBK TPHCM [2] Robert E Collin – Antenna and Radiowave Propagation –McGraw Hill 1986 [3] GS TS Phan Anh – Lý thuyết kỹ thuật Anten –Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội – 1997 [4] John D Kraus – Antenna –McGraw Hill [5] Constantine A Balanis – Antenna theory analysis and design –John Wiley & Sons – 1997 1:19 PM Chương Truyền sóng Điện ly + Mơi trường truyền sóng - Đất - Khí Tầng đối lưu (Troposphere) Tầng bình lưu (Stratosphere) xem có tầng Mesosphere (trung lưu) Tầng điện ly (Ionosphere) - Không gian hành tinh + Phân loại sóng điện từ - Theo đặc tính điện-từ - Theo băng sóng - Theo phương thức truyền sóng 1:19 PM Chương Bình lưu 12 ÷ 60 Đối lưu Đất 60 ÷ 20.000 10 ÷ 12 Truyền sóng - Theo đặc tính điện-từ E H H H khơng có E hay H theo hướng truyền sóng TEM (Transverse Electromagnetic) E E có E (nhưng khơng có H) theo hướng truyền sóng có H (nhưng khơng có E) theo hướng truyền sóng 1:19 PM TM (Transverse magnetic) TE (Transverse electric) Chương Truyền sóng Phân cực sóng điện từ: thể phương vector cường độ điện trường dọc theo phương truyền sóng hay xét thay đổi phương hướng véc tơ cường độ điện trường theo thời gian E2=E2mcos(wt +ϕ2) E E1=E1mcos(wt +ϕ1) 1:19 PM Chương Truyền sóng ϕ1 − ϕ = ± kπ ϕ − ϕ = ( k + 1)π E 1:19 PM 1m Chương = E2m Truyền sóng 1:19 PM Chương Truyền sóng - Phân cực đứng (Vertically Polarization) 1:19 PM Chương Truyền sóng - Phân cực ngang (Horizontally Polarization) 1:19 PM Chương 10 Truyền sóng 1:19 PM Truyền sóng 1:19 PM Chương 11 - Theo băng sóng Chương 12 Truyền sóng -Theo phương thức truyền sóng: Ionosphere (80 - 720 km) Sky wave Mesosphere (50 - 80 km) Stratosphere (12 - 50 km) Space wave Ground wave 1:19 PM Earth Troposphere (0 - 12 km) Chương 13 Truyền sóng + - Sóng đất (ground wave): sóng vơ tuyến truyền sát mặt đất Thường phân cực đứng Đất có tính dẫn điện cao suy hao nhiều Truyền tốt mặt nước Tần số tăng suy hao tăng, khơng tốt với sóng có tần số lớn 2MHz - Độ tin cậy cao không bị ảnh hưởng thay đổi thời tiết ngày, mùa - Thường dùng vô tuyến hàng hải 1:19 PM Chương 14 Truyền sóng Sóng khơng gian (space wave): sóng gồm tia đến trực tiếp tia gián tiếp Tia trực tiếp giới hạn chiều cao anten, độ cong mặt đất, khoảng cách tuyến thường phải nhỏ 80% tầm nhìn thẳng 1:19 PM Chương 15 Truyền sóng Sóng trời (sky wave): sóng phản xạ từ tầng điện ly, truyền từ anten phát đến anten thu phản xạ tầng điện ly mặt đất nhiều lần Thường sử dụng băng tần HF 1:19 PM Chương 16 Truyền sóng Các tượng truyền sóng (Propagation Mechanisms) 1:19 PM Chương 17 Chương 18 Truyền sóng Phản xạ (Reflection): xuất tia sóng gặp mặt chắn dẫn có kích thước so sánh với bước sóng bề mặt kim loại hay mặt đất, hệ số phản xạ tỷ số tia phản xạ tia tới nhỏ Nếu mặt phản xạ dẫn hồn tồn hệ số phản xạ 1:19 PM Truyền sóng Khúc xạ (Refraction): tượng khúc xạ xuất tia sóng truyền từ môi trường sang môi trường khác Tia sóng tuân theo định luật Snell n1 sin θ1 = n2 sin θ n = µrε r 1:19 PM ε sin θ1 = r2 sin θ ε r1 ε: số điện mơi tuyệt đối µ: số từ thẩm tuyệt đối môi trường Chương 19 Truyền sóng Nhiễu xạ (Diffration): xuất cạnh chắn vật thể có kích thước so sánh với bước sóng, tia sóng bị uốn cong theo độ cong bề mặt vật chắn 1:19 PM Chương 20 10 Truyền sóng tầng đối lưu a Xác định tầm nhìn thẳng tuyến liên lạc chiều cao anten phát thu 50m 10m b Cho tầm nhìn thẳng tuyến liên lạc 50km, chiều cao anten phát tối đa 100m Xác định chiều cao anten thu 1:19 PM Chương 41 Truyền sóng tầng đối lưu Khi kể đến độ cong mặt đất ݀௧ = ℎ௧ ݀ ℎ௧ + ℎ௥ ݀௧ଶ 2ܽ (khoảng cách truyền > 0,2dmax < 0,8dmax) ݀௥ = ℎ௥ ݀ ℎ௧ + ℎ௥ ݀௥ଶ 2ܽ Cho tuyến liên lạc vơ tuyến có anten phát cao 100m, anten thu cao 10m, độ lợi anten phát 20 dB anten thu 30dB, công suất phát 50W, cự ly thông tin 12km, tần số sóng truyền 150MHz ℎ௧ᇱ = ℎ௧ − ℎ௥ᇱ = ℎ௥ − a Xác định tầm nhìn thẳng tuyến liên lạc Từ xác định mặt đất xem phẳng hay cầu b Tìm cường độ trường công suất thu anten thu 1:19 PM Chương 42 21 Truyền sóng tầng đối lưu Khi kể đến ảnh hưởng mặt đất (đất bán dẫn) ‫ܧ‬ௗ = ‫= ܨݔܧ‬ 30ܲ௧ ‫ܩ‬௧ ‫ܨ‬ ݀ ‫=ܨ‬ ‫=ݔ‬ 2‫ݔ‬ + 0,3‫ݔ‬ 2 + ‫ ݔ‬+ 0,6‫ ݔ‬ଶ ߨ݀ ߣ ‫ > ݔ‬25 ‫ ≤ ݔ‬25 ߝ − ଶ + 60ߣߪ ߝ ଶ + 60ߣߪ ଶ 1:19 PM ଶ Chương 43 Truyền sóng tầng đối lưu Cho q trình truyền sóng với cơng suất xạ 15W, tần số 850 MHz, độ lợi anten phát 20 dB, khoảng cách truyền km Xác định điện trường hiệu dụng điểm thu biết sóng truyền mặt đất khơ có ε = 4, σ = 0,001S/m ߣ= ܿ 3‫ݔ‬10଼ = = 0,35݉ ݂ 850‫ݔ‬10଺ ‫=ݔ‬ ߨ݀ ߣ ‫=ܨ‬ 2‫ݔ‬ ߝ − ଶ + 60ߣߪ ߝ ଶ + 60ߣߪ ଶ ଶ = Gt = 100 ߨ8‫ݔ‬10ଷ + 60‫ݔ‬0,35‫ݔ‬0,001 0,35 16 + 60‫ݔ‬0,35‫ݔ‬0,001 ଶ ଶ = 13464 = 5,25‫ݔ‬10ିହ ‫ܧ‬ௗ = ‫= ܨݔܧ‬ 1:19 PM Gt [dB] = 20 30ܲ௧ ‫ܩ‬௧ 30‫ݔ‬15‫ݔ‬100 ‫=ܨ‬ 5,25‫ݔ‬10ିହ = 1,39ߤܸ/݉ ݀ 8‫ݔ‬10ଷ Chương 44 22 Truyền sóng tầng đối lưu Cho q trình truyền sóng với cơng suất xạ 20W, tần số GHz, độ lợi anten phát 50, khoảng cách truyền 15 km Xác định điện trường hiệu dụng điểm thu biết sóng truyền mặt đất ẩm có ε = 10, σ = 0,01S/m 1:19 PM Chương 45 Truyền sóng tầng điện ly - Mật độ chất khí thay đổi theo độ cao - Phần trăm chất khí khơng giống theo độ cao - Năng lượng ion hóa khơng giống theo độ cao Độ cao: Mật độ electron: D: 40 – 88km D : 108 ÷109 E : 1011 ÷ 2.1011 E: 88 – 144km 11 11 F1: 144 – 248 km 11 12 F2: < 400 km F1 : 2.10 ÷ 4.10 F2 : 2.10 ÷ 2.10 1:19 PM Chương 46 23 Truyền sóng tầng điện ly Hằng số điện mơi tương đối: ߝᇱ = − ܰ‫ݍ‬ଶ ߝ଴ ݉߱ ଶ N: mật độ electron [m-3] q: điện tích electron = 1,6x10-19 [C] ε0: số điện môi không gian tự = 8,854 x 10-12 [F/m] m: khối lượng electron = 9,11x 10-31 [kg] ω: tần số góc sóng [rad/s] Tần số góc plasma: ଶ ߱ே = ܰ‫ݍ‬ଶ ߝ଴ ݉ ߝᇱ = − 1:19 PM ݂ே = ܰ ߱ே ߱ ଶ =1− Chương ݂ே ݂ ଶ 47 Truyền sóng tầng điện ly Tần số tới hạn: tần số cao phản xạ đươc lớp xác định theo mật độ electron cao ݂଴ = ܰ௠௔௫ Vận tốc pha: ܿ ‫ݒ‬௣ = ߝ′ Theo định luật Snell: ‫ߠ݊݅ݏ‬଴ ‫ߠ݊݅ݏ‬ଵ ‫ߠ݊݅ݏ‬௡ = =⋯= ܿ ‫ݒ‬௣భ ‫ݒ‬௣೙ ‫ߠ݊݅ݏ‬଴ = ߝଵᇱ ‫ߠ݊݅ݏ‬ଵ = ⋯ = ߝ௡ᇱ ‫ߠ݊݅ݏ‬௡ Tại góc tới hạn cho phép phản xạ lớp: θi = 900 1:19 PM Chương 48 24 Truyền sóng tầng điện ly Xét góc tới hạn tầng đầu tiên: θ1 = 900 ‫ߠ݊݅ݏ‬଴ = ߝଵᇱ ‫ߠ݊݅ݏ‬ଵ = ߝᇱ = − ݂ே ݂ ߝଵᇱ ଶ fN: tần số plasma tầng ݂= ݂ே = ݂ே ‫ߠܿ݁ݏ‬଴ = ܰ‫ߠܿ݁ݏ‬଴ ܿ‫ߠݏ݋‬଴ (định luật Secant) Tần số khả dụng cực đại MUF (Maximum usable frequency): ‫݂ = ܨܷܯ‬଴ ‫ߠܿ݁ݏ‬଴ 1:19 PM Chương 49 Truyền sóng tầng điện ly 1:19 PM Chương 50 25 Truyền sóng tầng điện ly Xét hệ thống truyền thông tin tầng điện ly Giả sử mật độ electron N = 108 ÷ 109 [m-3] độ cao 40 ÷ 88 km Góc ngẩng anten phát 300 a Xác định MUF b Giả sử mật độ electron phân bố tuyến tính theo độ cao Xác định tần số plasma độ cao 60 km c Xác định góc ngẩng anten để MUF = 300 KHz độ cao 60 km 1:19 PM Chương 51 Truyền sóng tầng điện ly Cự ly đường truyền thông tin: Khi mặt đất xem phẳng (cự ly thông tin ≤ 0,2dmax) : ݀= 2ℎ ‫ߚ݊ܽݐ‬ h: độ cao biểu kiến β: góc ngẩng Khi kể đến độ cong mặt đất: ݀ = 2ܽ ߨ ܽ − ߚ − ܽ‫݊݅ݏܿݎ‬ ܿ‫ߚݏ݋‬ ܽ+ℎ a: bán kính Trái Đất = 6378 km 1:19 PM Chương 52 26 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Truyền sóng đa đường (multipath propagation) Trong môi trường di động dải tần VHF, UHF bỏ qua ảnh hưởng trạm xa (khơng truyền theo phương thức sóng trời) Ảnh hưởng truyền sóng đa đường: + Tổn hao tuyến (path loss), + Méo tần số (Doppler effect) + Méo 1:19 biênPM độ (Rayleigh, Rician, fading)Chương 53 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Mơ hình Okumura Tần số: 150 MHz – 1920 MHz Khoảng cách từ 1km đến 100km, anten cao từ 30m đến 1000m Lm(dB) = L0 + A mu(f,d) – G(hBTS) – G(hMS) – Garea Lm : Giá trị tổn hao trung bình tuyến truyền dẫn L0 : Tổn hao không gian tự A mu(f,d) : tổn hao môi trường tương đối (so sánh với môi trường chân không) G(hBTS) : Độ lợi chiều cao anten trạm gốc G(hBTS) = 20 log10( hBTS /200) G(hMS ): Độ lợi chiều cao thiết bị cầm tay G(hMS) = 10log10(hMS /3) với hMS ≤ m G(hMS) = 20log10(hMS /3) với 10m ≥ hMS > m Garea : Hệ số làm đặc điểm môi trường truyền dẫn đường cong A(f,d) & Garea gọi đường Okumura 1:19 PM Chương 54 27 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Đường cong A(f,d) 1:19 PM Chương 55 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Đường cong Garea 1:19 PM Chương 56 28 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Tính cơng suất anten thu thiết bị di động dùng mô hình Okumura biết: - Trạm gốc cao hBTS = 100m - EIRP = 1kW - Thiết bị di động độ cao hMS = 10m với độ lợi dB cách trạm gốc 50km - Hệ thống sử dụng tần số 900 MHz, phủ sóng vùng ngoại ô Amu(900MHz,50km) = 43 dB Garea = dB 1:19 PM Chương 57 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Mơ hình Hata Tần số: 150 MHz – 1500 MHz Khoảng cách từ 1km đến 20km Vùng thành phố: Lm(Urban)(dB) = 69,55 + 26,16log10(fc) – 13,82 log10(hBTS) – a(hMS) + (44,9 – 6,55log(hBTS))log10(d) Với thành phố lớn a(hMS) = 8,29(log10(1,54hMS))2 – 1,1 dB với fc < 300 MHz a(hMS) = 3,2(log10(11,75hMS))2 – 4,97 dB với fc > 300 MHz Với thành phố nhỏ vừa a(hMS) = (1,1log10(fc) – 0.7)hMS - ( 1,56 log10(fc) - 0,8) dB 1:19 PM Chương 58 29 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Mơ hình Hata Vùng ngoại ô nông thôn: Lm(Suburban)(dB) = Lm(Urban)(dB) - 2[log(fc /28)]2 – 5.4 dB Lm(open)(dB) = Lm(Urban)(dB) - 4.78[log(fc)]2 + 18.33log(fc) - 40.98 dB Lm(rural) = Lm(open) + Fading Margin (6-10dB) 1:19 PM Chương 59 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Tính cơng suất anten thu thiết bị di động dùng mơ hình Hata biết: - Trạm gốc cao hBTS = 100m - EIRP = 1kW - Thiết bị di động độ cao hMS = 10m với độ lợi dB cách trạm gốc 10km - Hệ thống sử dụng tần số 900 MHz a Phủ sóng vùng thành phố nhỏ b Phủ sóng vùng ngoại c Phủ sóng vùng nông thôn 1:19 PM Chương 60 30 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Mơ hình Hata Biết độ nhạy máy di động với chất lượng nghe rõ –105.967dBm, anten máy di động độ cao 1,5m có độ lợi 1dB, trạm gốc có độ cao 50m, phát với cơng suất 40dBm, anten có độ lợi 8dB Hệ thống hoạt động tần số 900MHz có độ dự trữ 10dB Xác định bán kính cell cực đại cho vùng thành phố (vừa), ngoại ô nông thôn? 1:19 PM Chương 61 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Mơ hình Walfisch - Ikegami Mơ hình thể phụ thuộc vào thông số: độ cao nhà, bề rộng đường, khoảng cách tòa nhà, hướng đường so với hướng tia truyền sóng d BS ∆ hMS hBTS h MS roof hMS w θ b MS hướng truyền sóng 1:19 PM Chương 62 31 Truyền sóng mơi trường rts: rooftop-to-street thông tin di động +diffraction and scattering Lm = L0 + Lrts + Lmsd Lm = L0 Lrts + Lmsd > Lrts + Lmsd < L0 : tổn hao không gian tự loss + ori: correction factor for street orientation + msd: multiscreen diffaction loss due to rows of buildings Lrts: tổn hao nhiễu xạ tán xạ tòa nhà = -16,9 -10log10(w) + 10log10(fc) + 20log10∆hMS + Lori Lori = -10 + 0,354(θ) 2,5 + 0,075(θ – 350) 4,0 – 0,114(θ – 550) với 00 < θ < 350 với 350 < θ < 550 với 550 < θ < 900 Lmsd: tổn hao nhiễu xạ nhiều tầng = Lbsh + ka + kdlog10(d) + kflog10(fc) – 9log10(b) 1:19 PM Chương 63 Truyền sóng mơi trường thông tin di động Lbsh = -18log10[1+(hBTS – hroof)] = hBTS > hroof hBTS ≤ hroof ka = 54 = 54 – 0,8(hBTS – hroof) = 54 – 0,8(hBTS – hroof)d/2 hBTS > hroof hBTS ≤ hroof d ≥ 0,5 km hBTS ≤ hroof d < 0,5 km kd = 18 = 18 – 15(hBTS – hroof)/ hroof hBTS > hroof hBTS ≤ hroof kf = -4 + 0,7(fc/925 –1) = -4 +1,5(fc/925 –1) cho thành phố nhỏ vừa cho thành phố lớn Mơ hình áp dụng cho: tần số từ 800 đến 2000MHz, hBTS từ 4m đến 50 m, hMS từ 1m đến 3m d từ 0.02 đến 5km 1:19 PM Chương 64 32 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Xét q trình truyền sóng mơi trường thơng tin di động dùng mơ hình Walfisch – Ikegami: - Khoảng cách truyền 4km Tần số hoạt động 1,2 GHz Chiều rộng đường w = 15m Khoảng cách nhà b = 25m hBTS = 30m, hroof = 35m, hMS = 1,5m Góc lệch θ = 200 Xác định suy hao đường truyền (dùng mơ hình thành phố nhỏ) Công suất phát 50 W, độ lợi anten phát 10 dB, độ lợi anten thu 15 dB Xác định công suất anten thu 1:19 PM Chương 65 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Méo tần số (hiệu ứng Doppler ) Khi máy phát máy thu có dịch chuyển tương đối tần số thu có khác biệt so với tần số phát sóng mang ∆l = d cos θ ∆ϕ = fD = 1:19 PM Chương 2π∆l λ = 2π v∆t λ cos θ ∆ϕ v = cosθ = f m cosθ 2π ∆t λ 66 33 Truyền sóng mơi trường thơng tin di động Méo biên độ Mơ hình fading Rayleigh: thiết bị di động không nhận loại suy hao tín hiệu phát (chỉ tia phản xạ) mà nhiều tín hiệu từ nhiều đường tượng khác - Xét pha tín hiệu có pha ngẫu hiên khoảng [0, 2π] - Theo luật số lớn định lý giới hạn trung tâm tín hiệu thu tín hiệu thơng dải có phân bố Gaussian, thành phần pha vng pha có phân bố Gaussian với trung bình khơng phương sai nên theo định lý trung tâm ta có hàm mật độ xác suất biên độ có dạng Rayleigh  r − r / 2σ  e p (r ) = σ  r≥0 r