BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG TÍN CHỈ MÔN ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Mã số : VTH02.2 Giảng viên biên soạn : ThS Lưu Đức Thuấn KS Nguyễn Văn Khởi HÀ NỘI - 2013 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG MỤC LỤC Tờ bìa .1 Mục lục Lời mở đầu .4 Các thông tin chung .5 Số tín học phần Phân bổ số học phần Chương trình đào tạo chuyên ngành Phương pháp đánh giá học phần 5 Điều kiện học học phần Nhiện vụ sinh viên .5 Nội dung tóm tắc học phần Giảng viên biên soạn Chương : Giới thiệu chung 1.1.Vị trí Anten kỹ thuật Vô tuyến 1.2 Quá trình xạ song điện từ .9 1.3 Nguyên lý Huyghen - dòng điện mặt dòng điện từ tương đương 11 1.4 Các loại anten phạm vi ứng dụng 14 Chương : Các tham số anten 15 2.1 Trường xạ dòng điện dòng từ không gian tự .15 2.2 Đặc tính phương hướng trường xạ 23 2.3 Hệ số định hướng hệ số tăng ích 26 2.4 Lý thuyết đồ thị nhân hướng .29 Chương : Các nguồn xạ nguyên tố .33 3.1 Khái niệm chung 33 3.2 Đipol điện đipol từ 33 3.3 Trường xạ dây dẫn thẳng 40 3.4 Trường xạ dây dẫn thẳng có sóng chạy 42 3.5 Trường xạ dây dẫn có sóng dừng 46 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Chương 4: Các phương pháp tiếp điện phối hợp trở kháng cho Anten đối xứng 49 4.1 Kết cấu chấn tử đối xứng làm việc dải sóng ngắn cực ngắn 49 4.2 Tiếp điện phối hợp trở kháng cho chấn tử đối xứng 51 4.3 Bộ biến đổi đối xứng dùng tiếp điện cho anten đối xứng 64 4.4 Chấn tử không đối xứng làm việc dải sóng ngắn cực ngắn 67 4.5 Các phương pháp tiếp điện phối hợp trở kháng cho chấn tử không đối xứng 68 Chương : Anten nhiều chấn tử 71 5.1 Dàn chấn tử đồng pha .71 5.2 Anten Tuannike 74 5.3 Anten nhiều chấn tử có pha biến đổi- Anten Yagi 77 5.4 Tính toán anten dẫn xạ Yagi .79 Chương : Anten Gương 83 6.1 Nguyên lý chung loại anten gương 83 6.2 Anten gương Parapol 83 6.3 Phương pháp tính toán anten gương 86 6.4 Điểu khiển đồ thị phương hướng anten gương Parapol .91 Chương : Truyền sóng 93 7.1 Một số khái niệm chung 93 7.2 Phân loại sóng vô tuyến điện theo băng sóng theo phương thức truyền lan 93 7.3 Các dạng phân cực sóng vô tuyến 96 7.4 Phân tích đường truyền sóng từ anten phát đến anten thu 101 7.5 Các chế truyền sóng .102 Tài liệu tham khảo 109 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG LỜI MỞ ĐẦU Bài giảng Anten truyền sóng giúp cho sinh viên ngành Thông tin Kỹ thuật Viễn thông nắm vững khái niệm, lý thuyết hệ thống anten trình thu phát sóng, hiểu rõ chức năng, tác dụng, nguyên lý hoạt động loại anten dùng mạng viễn thông; vận dụng giải yêu cầu thiết kế, bố trí, lắp đặt để tổ chức hệ thống thông tin vô tuyến vi ba số, thông tin di động, thông tin vệ tinh v.v… Bài giảng biên soạn lần trình bày rõ ràng, dễ hiểu; nhiên tránh thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp độc giả Hà Nội, tháng 03 năm 2013 Tác giả BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG CÁC THÔNG TIN CHUNG Số tín học phần: tín chỉ; (2, 0, 0) số tiết (24, 12, 0) Phân bố số học phần cho lý thuyết, thảo luận, tập, thực hành, thí nghiệm, tự học: − Lý thuyết: 24 tiết − Thảo luận: tiết − Bài tập: 12 tiết − Thực hành: tiết − Thí nghiệm: tiết − Tự học: 60 Chương trình đào tạo chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông, Kỹ thuật thông tin truyền thông Phương pháp đánh giá học phần: 4.1 Điểm đánh giá trình học tập: 30 % − Chuyên cần (% trọng số): 10 % − Kiểm tra kỳ ( % trọng số): 10 % − Bài tập lớn (% trọng số): 10 % 4.2 Điểm kết thúc học phần (% trọng số): 70 % Điều kiện học học phần: 5.1 Những học phần tiên quyết: − Trường sóng điện từ Mã số: KTD04.2 Nhiệm vụ sinh viên: Tham gia 80% buổi học lớp Hoàn thành việc tự học theo tài liệu hướng dẫn giảng viên Hoàn thành đầy đủ tập lớn Tham dự buổi thảo luận BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Thi kiểm tra kết thúc môn học Nội dung tóm tắt học phần (bằng tiếng Việt tiếng Anh): 7.1 Tóm tắt nội dung tiếng Việt: Khóa học cung cấp cho sinh viên nguyên lý lý thuyết anten giới thiệu loại anten khác dùng cho thu phát sóng vô tuyến mạng viễn thông, tham số bản, cấu trúc, nguyên lý hoạt động ứng dụng chúng hệ thống thông tin vô tuyến khác Bên cạnh đó, chế lan truyền sóng tác động môi trường truyền sóng lên hoạt động đường truyền vô tuyến trình bày 7.2 Tóm tắt nội dung tiếng Anh: The course provides students with fundamental principles of antenna theories and introduces various antennas used for transmitting and receiving radio wave in telecommunication networks, their structures and principles as well as their applications in a variety of radio communication systems In addition, wave propagation mechanisms and effects of transmission media on the operation of a radio link will be briefly introduced Tên giảng viên biên soạn: ThS Lưu Đức Thuấn KS Nguyễn Văn Khởi BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 VỊ TRÍ ANTEN TRONG KỸ THUẬT VÔ TUYẾN I) Vị trí Antena Việc truyền lượng điện từ khống gian thường thực theo cách: *) Dùng hệ truyền dẫn, nghĩa hệ dẫn sóng điện từ đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại điện môi… Sóng điện từ truyền lan hệ thống thuộc loại sóng điện từ ràng buộc *) Bức xạ sóng không gian, sóng truyền dạng sóng điện từ tự Thiết bị dùng để xạ sóng điện từ thu nhận sóng điện từ từ không gian bên gọi Antena Ví dụ: Với hệ thống thông tin vô tuyến đơn giản bao gồm: Máy phát -> Antena phát -> (không gian) -> Antena thu -> Máy thu Việc ghép nối Antena phát với máy phát (hoặc máy thu với Antena thu) phải dùng dây phi-đơ (fidor) – cáp song hành, ống dẫn sóng mà không ghép trực tiếp Sóng điện từ sóng điện từ ràng buộc Antena phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc fidor thành sóng điện từ tự xạ không gian Cấu tạo Antena định việc xạ sóng điện từ Tùy theo dải tần số công tác mà Antena có cấu tạo khác Antena thu có nhiệm vụ ngược với Antena phát nghĩa tiếp nhận sóng điện từ tự từ không gian bên qua Antena thu trở thành sóng điện từ ràng buộc, sóng truyền qua dây fidor tới máy thu *) Lưu ý: Năng lượng tín hiệu Antena thu nhận phần lượng bên phát phát tới Phần lại xạ vào không gian Người ta gọi việc xạ xạ thứ cấp II) Yêu cầu thiết bị Antena Phải thực việc truyền biến đổi lượng với hiệu suất cao không gây méo dạng tín hiệu BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG III) Ứng dụng Antena Được sử dụng hệ thống thông tin vô tuyến viễn thông như: hệ thống truyền hình, phát tranh, rada, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa Căn cú vào mục đích khác mà yêu cầu Antena khác Với đài phát vô tuyến truyền hình Antena cần xạ tín hiệu đồng theo mặt phẳng ngang với hiệu suất cao Việc máy thu đặt vị trí, hướng thu tính hiệu đài phát Song Antena cần xạ định hướng mặt phảng đứng với hướng cực đại song song với mặt đất để đài mặt đất nhận tín hiệu lớn Để giảm nhỏ lượng xạ theo hướng không cần thiết trông thông tin truyền tiếp rada, vô tuyến điều khiển, thông tin vệ tinh, yêu cầu Antena xạ có tính định hướng cao nghĩa sóng điện từ tập trung góc hẹp Như Antena nhiệm vụ xạ sóng điện từ, phải biến đổi lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự theo hướng định, với yêu cầu kỹ thuật cho trước Sơ đồ hệ thống vô tuyến viễn thông: Anten Hệ thống cung cấp tín hiệu Máy phát Anten Hệ thống xạ Hệ thống xạ Thiết bị điều chế Thiết bị xử lý tin Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống vô tuyến Hệ thống gia công tín hiệu Máy thu BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG 1.2 QUÁ TRÌNH BỨC XẠ CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ Về nguyên lý, hệ thống điện từ có khả tạo điện trường từ trường biến thiên xạ sóng điện từ Tuy nhiên thực tế, xạ xảy điều kiện định Ví dụ: Dùng khung dao động có thông số tập trung, kích thước nhỏ so với bước song Hình 1.2: Khung dao động điện từ Nếu đặt vào mạch sức điện động biến thiên hai má tụ tạo điện trường biến thiên cuộn dây tạo từ trường biến thiên Nhưng điện từ trường khả xạ sóng điện từ không igan mà bị ràng buộc phần tử mạch Dòng điện dịch di chuyển tụ theo đường ngắn khoảng không gian Còn lượng từ trường tập trung chủ yếu thể tích nhỏ lòng cuộn cảm Năng lượng hệ thống bảo toàn tổn hao nhiệt dây dẫn tổn hao cuả mạch *) Nếu mở rộng kích thước tụ dòng điện dịch không dịch chuyển khoảng không gian hai má tụ điện mà phận lan tỏa môi trường trường tới điểm nằm cách xa nguồn (nguông điện trpngf điện tích biến đổi hai má tụ điện) Hình 1-3: Mở rộng má tụ gây xạ sóng điện từ BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG *) Nếu mở rộng kích thước tụ điện dòng điện dịch lan tỏa nhiều tạo điện trường biến thiên với biên độ lớn không gian bên M Hình 1.4: Mở rộng má tụ, xạ sóng điện từ vô Điện trường biến thiên truyền lan với vận tốc ánh sáng c = 3.10 (m/s) Khi đạt tới khoảng cách xa nguồn, chúng thoát khỏi ràng buộc với nguồn, nghĩa không liên hệ với điện tích hai má tụ điện Thực vậy, ta quan sát đường sứ điện trường gần tụ thấy chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn điện tích hai má tụ điện Do giá trị điện trường điểm nằm đường sức biến thiên đồng thời với biến thiên điện tích tụ điện Nhưng xét điểm M cách xa nguồn thấy thời điểm đó, điện trường M đạt giá trị định lúc điện tích hai má tụ lại biến đổi qua giá trị Khi đường sức điện không ràng buộc với điện tích mà chúng phải tự khép kín không gian, nghĩa hình thành điện trường xoáy Theo quy luật điện trường biến thiên điện trường xoáy tạo từ trường biến đổi, từ trường biến đỏi lại tiếp tục tạo điện trường xoáy -> hình thành sóng điện từ *) Phần lượng điện từ thoát khỏi nguồn truyền không gian tự goi lượng xạ tác dụng hay lương hữu công *) Phần lượng điện từ ràng buộc với nguồn dao động gần nguồn không tham gia vào việc tạo thành sóng điện từ gọi lượng vô công Hệ thống xạ điện từ có hiệu hệ thống mà điện trường từ trường biến thiên có khả thâm nhập nhiều vào không gian Để tăng 10 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG sóng tầng đối lưu tầng điện ly Sau khảo sát tác dụng hai miền Tầng đối lưu tầng khí thấp,trải từ mặt đất nên đến độ cao khoảng (10 ÷ 15)km Đó môi trường không đồng nhất,tính không đồng tầng đối lưu có nhiều dạng.Một dạng gây uốn cong quỹ đạo tia sóng sóng truyền tạo khả để sóng truyền xa mặt đất cong.Một dạng không đồng khác gây khuyếch tán đạt tới khoảng cách 1000m kể từ đài phát Ảnh hưởng tượng khuyếch tán biểu diễn rõ bước sóng ngắn 10m Ảnh hưởng uốn cong quỹ đạo sóng tầng đối lưu biểu rõ sóng có bước sóng dài Ngoài ra,trong số trường hợp,với điều kiện khí tượng thích hợp phát sinh truyền sóng tầng đối lưu theo kiểu “ống dẫn sóng” cho phép sóng có bước sóng ngắn 3m truyền lan tới cự ly khoảng (800 ÷ 1000)km Những sóng vô tuyến điện truyền tới cự ly xa mặt đất khuyếch tán tầng đối lưu tác dụng ống dẫn sóng tầng đối lưu gọi sóng tầng đối lưu Như có sóng với bước sóng ngắn 10m, truyền theo dạng sóng xét truyền sóng tầng đối lưu chủ yếu ta xét với băng sóng cực ngắn Tầng điện ly miền cao nằm từ độ cao khoảng 60km đến khoảng 600km mặt đất Ở độ cao mật độ không khí nhỏ chất khí bị ion hóa,tạo nên số lớn điện tử tự Đối với sóng vô tuyến điện, tầng điện ly xem môi trường bán dẫn điện sóng phản xạ từ Tính toán thực nghiệm cho biết tầng điện ly phản xạ sóng ngắn dài 10m Với sóng ngắn tầng điện ly môi trường (trong suốt) Bằng cách phản xạ lần nhiều lần tầng điện ly,sóng truyền lan tới cự ly xa Bên cạnh khả phản xạ sóng vô tuyến điện,do tầng điện ly có miền không đồng có khả khuyếch tán sóng truyền tới Vì sóng có tần số cao không phản xạ tầng điện ly khuyếch tán lớp ion hóa truyề tới cự ly xa 94 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Những sóng truyền tới cự ly xa phản xạ(một lần nhiều lần) khuyếch tán từ tầng điện ly gọi sóng điện ly Những sóng truyền lan trạm mặt đất vệ tinh bay xung quanh mặt đất với tàu không gian vũ trụ sóng không bị tầng điện ly cản trở hiệu ứng phản xạ khuyếch tán Những sóng bị hấp thụ tầng đối lưu đường truyền lan có đám mưa Sự giảm yếu sóng phụ thuộc vào cường độ mưa phụ thuộc vào tần số Tần số sóng cao cường độ mưa lớn suy giảm sóng nhiều Những sóng có tần số cao từ 1GHz trở lên thích hợp với điều kiện truyền lan sóng vũ trụ 7.3 CÁC DẠNG PHÂN CỰC SÓNG VÔ TUYẾN Giả sử điểm không gian, vecter trường sóng biểu thị thành phần thẳng đứng nằm ngang EX EY hình vẽ r E y = E y cos(ωt − ϕ1 ) r EZ = EZ cos(ωt − ϕ2 ) Các thành phần khác pha biên độ (do trình truyền sóng gây ra) Quan hệ biên độ pha thành phần định dạng phân cực khác Có loại phân cực sóng vô tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực tròn, phân cực elip 1) Phân cực thẳng 95 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Nếu pha thành phần thẳng đứng nằm ngang giống khác 180o trường tổng có dạng phân cực thẳng Ví dụ: ϕ1 = ϕ2 = , thành phần thẳng đứng nằm ngang là: r E y = E y cos(ωt − ϕ1 ) r EZ = EZ cos(ωt − ϕ2 ) Khi trị số biên độ vector xác định bởi: E = EY2 + EZ2 = EY20 + EZ2 cos(ω t ) Còn hướng E xác định thông qua α tg (α ) = EZ E Z = = const EY EY Trong trường hợp ta thấy hướng vector E không biến đổi, độ dài vector thay đổi theo quy luật cos(ω t ) đầu mút vector nằm đường thẳng trùng với phương vector góc nghiêng α Đó tượng phân cực đường thẳng 2) Phân cực tròn 96 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Khi biên độ thành phần thẳng đứng nằm ngang pha khác 90o, hay 270o trường tổng có dạng phân cực tròn Giả thiết: ϕ1 = 0; ϕ = 90o EY = EZ = E0 Ta có: y = E0 cos(ω.t ) EZ = E0 cos(ω.t ) Biên độ vector tổng: E = EY2 + EZ2 = E0 = const Hướng vector E xác định góc α : E tg (α ) = Z = tg(ω.t) EY Từ rút ra: α = ω.t Trong trường hợp này, vector Ecos biên độ không đổi hướng thay đổi lien tục theo thời gian với quy luật ω.t Nói cách khác, vector E quay quanh gốc mặt phẳng yz với vận tốc góc ω Đầu mút vector vạch mặt phẳng yz đường tròn có bán kính độ dài vector Đó tượng phân cực tròn Phân cực Elip 97 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Trong trường hợp tổng quát thành phần thẳng đứng nằm ngang trường có quan hệ biên độ phân kỳ, trường tổng có dạng phân cực elip Giả thiết trường hợp đơn giản khi: ϕ = 0; ϕ = ϕ Ta có: EY = EY cos(ω.t ) EZ = EZ cos(ω.t − ϕ ) Đặt A = EY0; C = EZ0.cos ϕ ; D = EZ0 Ta viết lại thành phần trường đơn giản dạng : EY = A.cos(ω.t ) EZ = C cos(ω.t ) + D.sin(ω.t ) Ta tìm biểu thức liên hệ thành phần trường Để việc tính toán thuận tiện ta đưa vào hệ tọa độ quay góc ψ hệ trục cũ Các thành phần trường hệ tọa độ kí hiệu EY' EZ' , Ta có quan hệ sau: EY = EY' cosψ − EZ' sinψ = A.cos(ω.t ) EY = EY' sinψ − EZ' cosψ = C cos(ω.t ) + D.sin(ω.t ) Giải hệ phương trình với biến số EY' EZ' , ta có: EY' = ( A.cosψ + C.sinψ ).cos(ω.t ) + D.(sinψ ).sin(ω.t ) EZ' = (C.cosψ + A.sin ψ ).cos(ω.t ) + D.(cosψ ).sin(ω.t ) Nếu chọn góc ψ để cho: 98 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG A.cosψ + C.sinψ = M cosγ D.sinψ = M sin γ Và: C.cosψ − A.sinψ = − N sin γ D.cosψ = N cosγ Thì có: EY' = M cos(ω.t − γ ) EZ' = N sin(ω.t − γ ) Từ cặp phương trình () rút : D.sinψ A.cosψ + C.sinψ tgγ = Từ cặp phương trình () rút được: tgψ = C.sinψ − A.cosψ D.cosψ So sánh () () ta tìm góc quay ψ : tg 2ψ = A.C A2 + C + D Như chọn góc quay ψ theo () ta đưa biểu thức EY' EZ' đến dạng đơn giản () () Từ biểu thức () () ta tìm mối quan hệ giưa hai thành phần thẳng đứng nằm ngang trường E y' Ez' = =1 M2 N BIểu thức dạng tắc phương trình elip với bán trục N M Như vector trường biến đổi theo thời gian, đầu mút vạch nên đường elip Đó tượng phân cực elip trường Trường hợp M = N, phân cực elip biến thành phân cực tròn Khí hai bán trục tiến tới vô bé phân cực elip biến thành phân cực đường thẳng 7.4 PHÂN TÍCH CÁC ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG TỪ ANTEN PHÁT TỚI ANTEN THU 99 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG I Các loại song đất Sóng sóng ko bị thăng giáng tầng điện ly tức sóng bề mặt sóng không gian a) Sóng Bền Mặt: truyền sóng bề mặt,năng lượng sóng lướt sóng lướt bề mặt đất gần sóng dọc theo đường dây.Phương pháp truyền sóng sử dụng tần số vô tuyến tương đối thấp 30 KHz.Khi tăng tần số tiêu hao đất tăng nhanh,vì tiêu hao phụ thuộc vào số điện dẫn điện môi hiệu dụng đất.Trên 30KHz đất có tác dụng dây dẫn tiêu hao cao songa VHF,UHF,SHF b) Sóng Không Gian: Phương thức truyền sóng sử dụng cho tất hệ thống thông tin viễn thông (vi ba số,điện thoại di động nhắn tin…).Năng lượng truyền từ anten phát tới anten thu theo đường thẳng phản xạ mặt đất phản xạ từ tầng đối lưu.Sóng không gian loại sóng quan trọng thông tin VHF,UHF,SHF 1) Sóng trực tiếp: Sóng phát xạ trực tiếp từ anten phát tới anten thu mà không bị phản xạ đâu cả.Trong điều kiện truyền lan bình thường có biên độ lớn so với sóng đến máy thu II Sóng phản xạ đất: Sóng đất 2 Sóng điện ly ATT ATP Sóng xuyên qua tầng điện ly không quay H1 Tầng điện ly lại Tầng đối lưu ATP Tia tán xạ Tia trực tiếp ATP ATT Tia phản xạ Tầng nhiễu xạ Tia mặt H2 ATT Hình vẽ 7.1 H3 Sóng đến anten thu sau phản xạ vài lần từ mặt đất từ vật thể xung quanh.Sự phản xạ xuất mặt phẳng đứng 100 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG mà xuất mặt phẳng ngang,như sóng bị phản xạ từ vật cản lệch so với đường chính.Sóng phản xạ có biên độ pha khác chúng có biên độ pha khác với biên độ pha sóng trực tiếp.Nếu khoảng cách truyền lan lớn mọt số lẻ bước sóng anten thu sóng phản xạ lệch pha so với sóng trực tiếp góc 180 kết triệt tiêu sóng tới đến mức độ đó.Mức độ phụ thuộc vào biên độ sóng phản xạ Sóng phản xạ từ tầng đối lưu: Do thay đổi số khúc xạ không khí theo độ cao so với mặt đất nên sóng bị tạp âm tùy theo góc sóng tới xảy phản xạ toàn phần từ tầng đối lưu.Trong trường hợp xuất biên giới có tác dụng bề mặt phản xạ,gửi sóng trở lại mặt đất.Một số tia đến anten thu,ở khử bớt sóng trực tiếp có thay đổi pha biên độ gây phản xạ 7.5 CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN SÓNG Có ba loại chế truyền sóng là: + khúc xạ sóng + Nhiễu xạ sóng + Phản xạ sóng a.Khúc Xạ Trong trình truyền lan sóng điện từ bị khúc xạ từ môi trường có số khúc xạ sang môi trường có số khúc xạ khác - Trong bầu khí thay đổi số khúc xạ phụ thuộc vào mật độ không khí,mặt khác mật độ không khí giảm theo độ cao - Với tần số công tác 30 MHz lượng nước không khí đóng vai trò chủ yếu thay đổi số khúc xạ,vì hằng số điện môi nước xấp xỉ lần so với không khí - Trong bầu khí bình thường độ ẩm khối lượng nước đơn vị khối lượng không khí không đổi.Điều có nghĩa số điện môi số khúc xạ giảm liên tục tăng độ cao - Chỉ số khúc xạ n không khí cần thay đổi vài phần triệu ảnh hưởng đến đến lan truyền sóng vô tuyến 101 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Độ khúc xạ N xác định: N= (n-1).106 Trong đó: N độ khúc xạ sóng n số khúc xạ Như : với n khác  N khác mà làm cho đường truyền lan sóng có thể: +) Uốn xạ dần bề mặt thực trái đất làm cho tầm nhìn vô tuyến mở rộng.Khi khe hở đường truyền sóng so với điểm cao bề mặt trái đất đường truyền lan sóng tăng +) Sóng vô tuyến bị uốn cong phía bề mặt trái đất ,do làm giảm khe hở vượt quan địa hình phía gây ảnh hưởng mặt đất ,các cối,kiến trúc cao tầng… gây vật cản Thực tế thường dùng hệ số bán kính hữu hiệu đất để đánh giá mức độ ảnh hưởng tượng khúc xạ sóng đường truyền lan sóng từ điểm phát tới điểm thu k= + a dN 10 dh k: hệ số bán kính hữu hiệu đất a: bán kính thực đất a=6,37.10 km dN : Độ biến thiên độ khúc xạ theo độ cao 1km biểu thị N đơn dh vị (km) Lưu Ý: * Hệ số k biến đổi phương pháp thường sử dụng để mô tả khả uốn cong tia sóng cực ngắn * Trường hợp tia sóng bị uốn cong lên so với mặt đất.Điều xuất sóng vô tuyến mặt đất bị lồi lên từ dẫn tới cản đường truyền dẫn.Hiện tượng do: mật độ khí tăng theo chiều cao (do đám sương mù tạo luồng không khí nóng qua vùng đất lạnh ẩm ướt,kết sương mù tạo mật độ khí gần mặt đất thấp so với tầng cao hơn) * Trường hợp k=∞ thì tia sóng lan truyền gần song song với mặt đất 102 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG * Trường hợp tia sóng lan truyền bị uốn xuống cong dị thường với bán kính nhỏ S0 gây gián đoạn thông tin: tượng siêu khúc xạ xuất không khí lạnh qua khu vực nước ấm.Sự bay nước tăng độ ẩm nhiệt độ mặt nước thấp,đó dấu hiệu đảo nhiệt.Nhiệt độ thấp độ ẩm cao làm cho mật độ khí gần bề mặt đất tăng lên nhiều b.Nhiễu Xạ Nhiễu xạ sóng vô tuyến uốn cong sóng xung quanh vật cản đường truyền thẳng tia sóng gấy tổn hao đường truyền, (gọi tổn hao vật hay tổn hao nhiễu xạ) Để đánh giá mức độ ảnh hưởng nhiễu xạ sóng lan truyền thuogwf dùng khái niệm miền Fresnel.Miền Fresnel miền bao quanh tia đường truyền thẳng có dạnh elip từ anten phát đến anten thu Thường quy định elip có vị trí vỏ tín hiệu từ A-T thu qua đường vượt xa nửa bước sóng tần số λ mang( ) so với tín hiệu qua đường trực tiếp Miền bên elip thứ gọi miền Fresnel thứ nhất.Elip miền Fresnel thứ chứa hầu hết công suất tới máy thu.Nếu tồn vật cản rìa miền Fresnel thứ sóng phản xạ triệt tiêu sóng trực tiếp.Mức độ triệt tiêu phụ thuộc vào biên độ tương đối sóng phản xạ sóng trực tiếp Ngoài miền Fresnel thứ có họ elip xung quanh đường bao thứ miền Fresnel thứ 2,3,4…Chúng có ảnh hưởng đến việc tạo tiêu hao nhiễu xạ công suất tín hiệu chứa nhỏ k=1/2 k=4/3 k=1 k=2/3 103 d1 d k=∞ d2 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Hình vẽ 7.3 Bán kính họ elip xung quanh đường trực tiếp thay đổi dọc theo đường truyền biểu diễn theo: 1 2 Fn=  [ nλd1d ]  =  nλd1d   d   d1 + d  ( 7-1) Trong đó: n: số miền Fresnel (1,2,3…) λ : bước sóng sóng mang d1: khoảng cách từ đầu cuối đến điểm bán kính miền Fresnel tính toán d2: khoảng cách từ dầu cuối đến điểm có bán kính miền Fresnel Bán kính F1: F1=17.32  d1d  (m)  fd  Miền Fresnel thứ (7-2) Đường truyền trực tiếp (mét) Trong đó: d1,d2 d tính km fFlà tần số sóng mang tính Ghz h1 h2 d1 104 d d2 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Hình vẽ 7.4 c.Phản Xạ Từ Bề Mặt Trái Đất - Phản xạ phản chiếu từ từ mặt đất hình cầu phẳng - Phản xạ từ mặt không phẳng Cường độ tín hiệu phản xạ nhận anten thu phụ thuộc vào mức độ định hướng anten - Độ cao anten mặt đất - Bản chất bề mặt - Độ dài tuyến Trường hợp tổng quát: Trường E tổng hợp tia trực tiếp tia phản xạ là: E=Ed[1+R exp(jø∆)] (7-3) Trong đó: R= [R] exp(jøR) (7-4) Hệ số phản xạ bề mặt (đặc trưng cho sóng phóng xạ) |R|: biên độ sóng phóng xạ ØR: pha sóng phóng xạ R: phụ thuộc vào: - Bản chất bề mặt phản xạ -Bước sóng sóng mang vô tuyến λ - Độ cong bề mặt - Độ không phẳng bề mặt 105 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG - Góc θ 4πh1' h2' ØR: độ lệch pha tia: ØR= λd Ed: sóng trực tiếp Do đó: E=Ed[1+R exp(jø∆)]=Ed{1+|R| exp[j(Ø∆+ ØR) (7-5) r0 r2 r1 h1’ θ θ ae d1 d d2 Mặt phẳng tiếp tuyến h2’ ae Hình vẽ 7.5 a) Trường hợp phản xạ phản chiều từ mặt đất hình cầu phẳng, ta có: Rp=|Rp|exp(jøR)=R0D.Ap.AT (7-6) Trong đó: R0 hệ số phản xạ Fresnel mặt phẳng R0= sin θ − c sin θ + c (7-6a) θ : góc lướt sóng c = n-cos2 θ : với phương cực ngang n − cos θ c= : phương cực đứng n2 n =εr(f)-j60 λ σ(f) εr(f): số điện môi tương đối bề mặt σ(f): độ dẫn điện tương đối bề mặt ( tính s/m) λ : bước sóng tần số sóng mang tính mét D: hệ số phân kỳ độ cong mặt đất 106 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG  2d1d D= 1 +   ae sin θ (d1 + d )  − (7-7) Trong đó: ae=k.a bán kính hữu hiệu đất Ap AT tiêu hao tính định hướng anten phát tới anten thu theo hướng điểm phản xạ b) Trường hợp phản xạ từ mặt gồ ghề không phẳng Rkp=S.Rp Trong đó: S hệ số không phẳng địa hình truyền sóng (cho theo bảng) 107 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật Anten, NXB Khoa học kỹ thuật, 2000 Lưu Đức Thuấn, Anten truyền sóng, Giáo trình, NXB Giao thông Vận tải, 2003 Robert S Elliott, Antenna Theory and Design, Revised Edition, Institute of Electronics & Electrical Engineers, 2003 Constantine A Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc, 2005 108 [...]... bước sóng trong chân không Áp dụng nguyên lý này có thể xác định được trường bức xạ của Anten mà không cần biết phân bố thực của dòng điện, điện tích trong Anten 1.4 CÁC LOẠI ANTEN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 13 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Hình 1.6: Các loại Anten + Anten thông dụng : - Anten râu trên ôtô - Anten tai thỏ trên tivi - Anten vòng cho UHF - Anten Log-chu kỳ cho TV - Anten Parabol thu sóng vệ... thu sóng vệ tinh + Trạm tiếp sóng vi ba (Microwave Relay) - Anten mặt - Anten Parabol bọc nhựa + Hệ thống thông tin vệ tinh : - Hệ anten loa đặt trên vệ tinh - Anten chảo thu sóng vệ tinh - Mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz) + Anten phục vụ nghiên cứu khoa học CHƯƠNG II: CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA ANTEN 14 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG 2.1: TRƯỜNG BỨC XẠ CỦA DÒNG ĐIỆN VÀ DÒNG TỪ TRONG KHÔNG GIAN... trường có hướng vuông góc với nhau và cả 2 đều vuông góc hướng lan truyền Sóng bức xạ thuộc loại sóng điện từ ngang - Sự biến đổi của cường độ điện trường và từ trường trong không gian khi R thay đổi được xác định bởi tổ hợp các hàm biểu diễn G e , G m theo θ và φ Các 22 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG hàm số này phụ thuộc vào phân bố dòng điện và dòng từ trong không gian của mỗi trường bức xạ 2-2 ĐẶC TÍNH... đặc tính định hướng của Anten mà còn biểu thị sự tổn hao trên Anten 2.4 LÝ THUYẾT NHÂN ĐỒ THỊ PHƯƠNH HƯỚNG 28 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Trong kỹ thuật Anten muốn tạo ra các đồ thị phương hướng hẹp thường không thể dùng một phần tử đơn giản mà phải dùng hệ thống phức tạp gồm nhiều Anten đơn giản (Anten phần tử) các Anten phức tạp gồm các Anten đơn giản dược sắp xếp theo không gian một chiều (hệ thống...BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG cường khả năng bức xạ của hệ thống cần mở rộng không gian bao trùm của cá đường sức điện trường 1.3 NGUYÊN LÝ HUYGHEN – DÒNG ĐIỆN MẶT VÀ DÒNG TỪ MẶT TƯƠNG ĐƯƠNG   Vấn đề cơ bản của lý thuyết Antena là xác định các vector E và H của trường điện từ bức xạ bởi Antena ở một điểm nào đó trong không gian bao quanh Antena Để giải quyết vấn đè này,... của Anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của Anten chuẩn (thường là Anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào hai Anten bằng nhau còn Anten chuẩn có hiệu suất bằng 1 III) Hiệu suất của Anten cũng là một thông số quan trọng đặc trưng cho mức độ tổn hao công suất của Anten Nó được xác định bởi tỷ số công suất bức xạ trên tổng công suất đặt vào... Thay (2-17) và (2-18) vào biểu thức (2-16) và cũng bỏ qua các số giảm nhanh hơn so với 1/R và trường xét là ở khu xa ta có: Rot A = − Mặt khác biết: jk ψ iR G 4π (2-19) iR G = iR (GR + G1 ) = iR G1 Ở đây G1 là thành phần của G trên hướng vuông góc với véc tơ bán kính R G1 = Gθ + Gϕ (2-20) 19 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Rot A = − Nên: jk ψ iR G1 4π (2-21) Áp dụng các công thức (2-15) và (2-21) để... rn n R θ φ Hình 2.3 Ta có thể viết : f n (θ ; ϕ ) = a&n f1 (θ ; ϕ ) 30 (2.59) BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Trong đó: a&n là hệ số bằng tỷ số của dòng trong phần tử thứ n và dòng trong phần tử thứ nhất Tổng quát a&n là số phức và dòng trong các anten phần tử có thể khác nhau về pha a&n = an e jψ n Thay (2.59) vào (2.58) và đưa f1 (θ ;ϕ ) ra ngoài dấu ∑ ta có : N f N (θ ; ϕ ) = f1 (θ ; ϕ )∑ a&n e jkrncosθn... độ và pha đồng đều trên đoạn thẳng đó.Nguyên tố bức xạ nói trên được gọi là đipol điện Z S Đipol điện Hφ θ R E θ Hình 3.1 e l I *) Định nghĩa : Đipol điện là một phần tử dẫn điện thẳng,rấtYmảnh có độ dài l rất nhỏ so với bươc sóng, trên đó có dòngφ điện mà biên độ và pha ở mọi điểm đều như nhau X 33 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG Để tìm trường bức xạ của đipol điện ta dung công thức(1-32) và (1-33) và. .. điện và dòng từ có dạng đối xứng nhau qua phép đổi lẫn: E € H , J e € J m , ρe € ρm , ε € µ Nếu áp dụng phép đổi lẫn cho (2-26) thì sẽ nhận được (2-27) và ngược lại Từ (2-26) và (2-27) rút ra được quan hệ giữa véc tơ E , H của trường bức xạ H= 1 (iR E ) W (2-28) Như vậy: E , H có hướng vuông góc nhau và vuông góc iR Nếu biểu thức: G1e = Gθe + Gϕe G1m = Gθm + Gϕm (2-29) 20 BÀI GIẢNG ANTEN VÀ TRUYỀN SÓNG ... gọi Antena Ví dụ: Với hệ thống thông tin vô tuyến đơn giản bao gồm: Máy phát -> Antena phát -> (không gian) -> Antena thu -> Máy thu Việc ghép nối Antena phát với máy phát (hoặc máy thu với Antena. ..   Vấn đề lý thuyết Antena xác định vector E H trường điện từ xạ Antena điểm không gian bao quanh Antena Để giải vấn đè này, cần xác định xác phân bố dòng điện điện tích Antena Nghĩa cần xác... dải tần số công tác mà Antena có cấu tạo khác Antena thu có nhiệm vụ ngược với Antena phát nghĩa tiếp nhận sóng điện từ tự từ không gian bên qua Antena thu trở thành sóng điện từ ràng buộc, sóng