Các tham số cơ bản của tuyến liên lạc thông tin vệ tinh

Chương 2 TÍN HIỆU VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG TÍN HIỆU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

2.3 Các tham số cơ bản của tuyến liên lạc thông tin vệ tinh

Anten là một thiết bị quan trọng trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh, nó không những có tác động đến chất lượng đường truyền mà còn có liên quan đến quy mô các trạm mặt đất và các thiết bị thu phát đặt trên vệ tinh. Các tham số phân tích sau đây có quan hệ đến phân tích tuyến liên lạc thông tin vệ tinh.

Độ tăng ích của anten

Theo lý thuyết anten, độ tăng ích của một anten được biểu thị bởi biểu thức [1]:

G(ϴ,φ) = η.D(ϴ,φ) (7)

Trong đó:

G(ϴ,φ): là độ tăng ích của anten theo góc phương vị (ϴ,φ):

η: Là hiệu suất của anten;

D(ϴ,φ): Là độ thị phương hướng của anten theo (ϴ,φ):

Góc ϴ tính trong mặt phẳng đứng và góc φ tính trong mặt phẳng ngang.

Với các anten sóng siêu cao, ví dụ anten parabol sử dụng trong thông tin vệ tinh thì độ tăng ích cực đại Gmax của anten có thể được xác định theo biểu thức [1]:

max 2

4 G  Aeff

 

(8)

Trong đó:

λ là bước sóng (λ = c/f với c = 3.108 m/s là tốc độ ánh sáng và f là tần số công tác);

Aeff là diện tích hiệu dụng của anten (Aeff = nA với A = πD2/4 là đường kính anten)

Như vậy, với anten có hiệu suất thì Gmax có thể viết như sau:

Gmax = η(πD/ λ)2 = η(πDf/c)2 (9) Hoặc có thể biểu thị dưới dạng dB:

Gmax = 10.logη(πD/ λ)2 = 10log η(πDf/c)2 (10)

21

Hiệu suất η là tích của các hiệu suất thành phần, bao gồm hiệu suất chiếu sáng, suy hao do tràn cũng như các suy hao khác . Thông thường hiê ̣u suất của anten đa ̣t trong khoảng (55 – 75)%.

2.3.2. Đồ thị phương hướng bức xạ của anten

Đồ thị phương hướng bức xạ của anten biểu thị sự biến đổi độ tăng ích của anten theo các hướng xem xét. Đồ thị phương hướng bức xạ của anten thường được biểu thị theo tọa độ cực hoặc tọa độ vuông góc.

Trong thực tế thường sử dụng khái niệm độ rộng búp sóng hoặc góc nửa công suất, tức góc giữa hai véc-tơ mà công suất ở đó giảm đi một nửa (3dB) so với mức công suất cực đại. Đối với anten parabol thì độ rộng búp sóng chính ϴ3db phụ thuộc vào tỉ số λ/D. Ngoài búp sóng chính, đồ thị phương hướng bức xạ của anten còn có thể có các búp sóng phụ. Nếu búp sóng phụ càng giảm thì khả năng tập trung năng lượng cho búp sóng chính càng lớn và khả năng tránh can nhiễu cho các hệ thống khác càng cao.

Biểu thức thường được sử dụng để tính độ rộng búp sóng của một anten parabol là [1]:

3dB 70( ) 70( c )

D fD

   

(11)

Ta có quan hệ giữa độ tăng ích cực đại và độ rộng búp sóng là:

2 2

max

3

( Df) (70 )

dB

G    

  

(12)

2.3.3. Sự phân cực của sóng

Theo lý thuyết về trường điện từ và truyền sóng biết rằng, sóng điện từ bức xạ từ một anten phát gồm có hai thành phần điện trường và từ trường vuông góc nhau, chúng cùng vuông góc với phương truyền sóng. Phương của véc-tơ điện trường và từ trường có sự biến đổi trong quá trình truyền lan, hiện tượng được gọi là sự phân cực của sóng. Việc xác định phân cực sóng được quy ước theo véc-tơ cường độ điện trường. Phân cực có thể là elip, tròn hoặc thẳng. Trong trường hợp

22

tổng quát, phân cực là elip. Phân cực tròn hoặc thẳng là dạng đặc biệt của phân cực elip.

Phân cực của sóng được đặc trưng bở các tham số sau:

- Chiều quay của véc-tơ điện trường và từ trường là quay phải hoặc quay trái.

- Tỉ số trục kí hiệu là AR = Emax/Emin đó là tỉ số trục lớn/ trục bé của elip.

Trong trường hợp phân cực tròn thì AR = 1 = 0 dB. Khi elip giảm xuống chỉ còn 1 trục thì AR là vô cùng, phân cực là đường thẳng.

- Góc nghiêng của elip.

Hai sóng là phân cực trực giao nhau nếu như các véc-tơ điện trường của chúng được biểu thị bởi các elip đối nhau. Cụ thể là:

- Hai phân cực tròn trực giao nhau được biểu thị bởi một vòng tròn quay theo chiều kim đồng hồ và một vòng tròn quay theo chiều ngược lại.

- Hai phân cực thẳng trực giao nhau được biểu thị bởi hai véc-tơ vuông góc nhau.

Một anten được thiết kế để phát hoặc thu sóng của một phân cực cụ thể và nó có thể hoặc không phát hoặc không thu các dạng sóng phân cực trực giao.

Tính chất trực giao này cho phép hai tuyến liên lạc có thể đồng thời được thiết lập với cùng 1 tần số như là việc sử dụng lại tần số bằng phân cực trực giao.

2.3.4. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Công suất bức xạ với một góc đặc trưng của một anten phát vô hướng được cấp điện bởi một nguồn tần số vô tuyến, ký hiệu là PT được xác định bởi biểu thức:

PT/4π (W/rad khối). Đối với hướng bức xạ có độ tăng ích là GT thì lúc đó anten sẽ bức xạ một công suất trên đơn vị góc đầy sẽ là: PT GT/4π (W/rad khối).

Tích tỉ số PT GT được gọi là công suất bức xạ đẳng hướng EIRP và được sử dụng nhiều trong tính toán các tuyến liên lạc thông tin vệ tinh [1]:

EIRP = PT*GT(W) (13)

Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và GT là độ tăng ích của hệ thống anten.

23

Hệ số tăng ích GT của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy phát cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten. Công suất bức xạ đẳng hướng là công suất phát được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem GT = 1. Nếu như anten có búp sóng của đồ thị phương hướng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn. Việc phát sóng với búp sóng hẹp ngoài mục đích tập trung năng lượng bức xạ theo hướng xác định còn có tác dụng hạn chế nhiễu và giảm tổn hao năng lượng trong môi trường truyền sóng.

Biểu thức EIRP cũng có thể được biểu thi ̣ dưới da ̣ng dB:

EIRP = PT + GT (dBW) (14)

Hoă ̣c:

EIRP(dBW) = 10log(PT.GT) (15)

Hoă ̣c:

EIRP(dBm) = 10log(Pi/0.001) + 10log(GT) (16) Trên mô ̣t diê ̣n tích hiê ̣u du ̣ng A cách xa anten phát mô ̣t khoảng R tương ứng với góc đầy tính từ anten phát là A/R2 thì công suất thu sẽ là:

PR = (PT.GT/4π)(A/R2) = Aϕ (17) Đa ̣i lượng ϕ = PT.GT/4π R2 đươ ̣c go ̣i là mật độ thông lượng công suất có thứ nguyên là W/m2.

Đối với vệ tinh nhỏ, do hạn chế về kích thước, khối lượng và công suất. Kích thước và công suất ăng ten trên vệ tinh nhỏ, quỹ đạo thấp được thiết kế tuỳ thuộc vào nhiệm vụ cụ thể của quả vệ tinh. Ví dụ, đối với vệ tinh làm nhiệm vụ thông tin liên lạc với yêu cầu vùng phủ sóng rộng ta lựa chọn ăng ten với độ tăng ích nhỏ công suất phát lớn, ngược lại đối với các vệ tinh viễn thám, ta chỉ cần ăng ten công suất phát nhỏ với hướng tập trung.

2.3.5. Công suất tín hiê ̣u thu được và tổn hao truyền sóng trong không gian tự

do

Mô ̣t anten thu có diê ̣n tích hiê ̣u du ̣ng của anten là AReff đươ ̣c đă ̣t cách xa mô ̣t khoảng cách R, sẽ thu được công suất PR là [1]:

24

Re 4 2 Re

T T

R fff ff

P A P G A

 R



 

    (18)

Trong đó ϕ là mật độ lưu lượng công suất phát 4 2

T T

P G

 R

 

Và AReff là diện tích hiệu dụng của anten thu: AReff GR/ 42 Như vâ ̣y công suất thu được PR là:

 / 4 2 2/ 4 

R T T R

P  P G R   G

(19)

P GT T  / 4 R G2 R



P GT T1/LFS  G WR



Trong đó LFS = (λ/4πR)2 đươ ̣c go ̣i là tổn hao truyền sóng không gian tự do và

nó đặc trưng cho tỷ số của công suất thu và công suất phát trong một tuyến liên lạc giữa hai anten vô hướng.

Tổn hao trong không gian tự do , trong lý thuyết về truyền sóng cò n go ̣i là

đi ̣nh luâ ̣t về tỷ lê ̣ nghi ̣ch với bình phương khoảng cách (1/R2). Bởi vì khoảng cách giữa tra ̣m mă ̣t đất và vê ̣ tinh là khá lớn cho nên tổn hao không gian tự do trong các hê ̣ thống thông tin vê ̣ tinh với vê ̣ tinh ở các quỹ đạo cách xa trái đất là khá lớn.

2.3.6. Công suất tín hiê ̣u thu được có tính đến tổn hao hấp thu ̣ và ảnh hưởng của tầng khí quyển

Tầng khí quyển là môi trường truyền sóng có ảnh hưởng trực tiếp đến sóng truyền trong hê ̣ thố ng thông tin vê ̣ tinh . Tác động rõ nét nhất đến sóng vô tuyến truyền trong tầng khí quyển là các ảnh hưởng của tầng đối lưu và tầng điện li . Các ảnh hưởng đó dẫn đến tổn hao hấp thụ sóng gọi chung là tổn hao khí quyển và như vâ ̣y, khi xác đi ̣nh công suất ta ̣i điểm thu , trong trường hợp có tính đến tổn hao của tầng khí quyển chúng ta sẽ thấy giá tri ̣ tổn hao truyền sóng trong không gian tự do bằng giá tri ̣ tổn hao tổng cô ̣ng [1]:

L = LFS.LA (20)

Trong đó:

L là tổn hao tổng cô ̣ng;

25

Lfs là tổn hao trong không gian tự do;

LA là tổn hao khí quyển.

2.3.7. Tính toán dự trữ tuyến có tính đến các tổn hao khác Các tổn hao khác

Đường truyền sóng trong thực tế phải tính toán đến các dạng tổn hao khác ngoài tổn hao truyền sóng trong không gian tự do, đó là các da ̣ng tổn hao:

- Tổn hao sóng do hấp thu ̣ và ảnh hưởng của tầng khí quyển . - Tổn hao bên trong nô ̣i bô ̣ thiết bi ̣ phát và thiết bi ̣ thu.

- Tổn hao do sự không đồng tru ̣c của anten phát và anten thu.

- Tổn hao do phân cực sóng.

Nếu tính đến các tổn hao đó thì khi tính toán , công suất ta ̣i điểm thu sẽ được biểu thi ̣ theo biểu thức [1]:

 max / L 1/ L  max/ 

R TX T T FTX FS A R R FRX POL

P  P G L L G L L L (W) (21)

Trong đó:

LTLFTX là tổn hao ở phía nội bộ máy phát và đường cấp điện phi đơ phát . LFSLA là tổn hao trong không gian tự do và tổn hao khí quyển