BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T ẦN ẦN
Biên soạ soạn: ThS. Phạm Hùng Kim Khánh TS. Nguyễn Văn Mùi ThS. Nguyễn Trọng Hải
Tài Liệu Lư u Hành Tại HUTECH
www.hutech.edu.vn
ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N bản 2013 Ấn bả
MỤC LỤ LỤC
I
MỤ C LỤ C
MỤC LỤC .................................................................................................................. 1 HƯỚ NG NG DẪN ............................................................................................................. 4
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề ANTEN ......................... ..................................... ........................ ......................... ......................... ....................... ........... 1 1.1 GIỚ I THIỆU ......................................................................................................... 1 1.1.1 Khái ni ệm ..................................................................................................... 1
ển ........................................................................................... 1 1.1.2 L ị ch ch sử phát phát tri ể 1.1.3 Các loại anten. ............................................................................................... 2
1.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ANTEN.....................................................................................6 ở kháng ngõ vào ......................................................................................... 6 1.2.1 Tr ở 1.2.2 Hi ệu suấ t c ủa anten ........................................................................................ 8
ườ ng ừ đượ c t ạo bở i anten .................................................................. 10 1.2.3 Tr ườ ng đ i iệ n t ừ ườ ng ừ ............................................................................... 12 1.2.4 Công su ấ t tr ườ ng đ i i ện t ừ ực (Polarization) ................................................................................. 16 1.2.5 Phân c ự 1.2.6 Đồ th ị b bứ c x ạ c ủa anten ................................................................................ 20
ữa các hướ ng 1.2.7 Độ r ộng nử a công su ấ t và độ r ộng gi ữ ng bứ c x ạ không đầu tiên. ........... 23 1.2.8 Góc khố i c ủa chùm tia bứ c x ạ (ABSA - Antenna Beam Solid Angle) ...................... 25
ợi hướ ng 1.2.9 H ệ số đị nh nh hướ ng ng và độ l ợ ng tính c ủa anten .............................................. .............................................. 26 ợi anten và công suấ t bứ c x ạ đẳng hướ ng ươ ng 1.2.10 Độ l ợ ng t ươ ng đươ ng ng (Antenna Gain & Equivalent Isotropically Radiated Power)....................................................................... 28
ức các búp ph ụ và t ỷ ỷ l ướ c sau. .............................................................. 29 1.2.11 M ứ l ệ tr ướ 1.2.12 Anten thu (Receiving antennas) .................................................................... 30
ến anten (antenna links) ................................................................... 1.2.13 Các tuy ế ................................................................... 35
TÓM TẮT ................................................................................................................ 37 CÂU HỎI ÔN TẬP ...................................................................................................... 38 BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN..................... ................................. ......................... ......................... ........................ ......................... .................... ....... 40 2.1 TRƯỜ NG NG DO DÒNG ĐIỆN BỨ C XẠ. ................................................................................. 40 2.2 CÁC PHƯƠ NG NG TRÌNH MAXWELL VÀ CÁC QUAN H Ệ NGUỒN-TRƯỜ NG NG. ........................................... 41 2.3 TRƯỜ NG NG ĐIỆN TỪ Ở VÙNG XA ĐƯỢ C TẠO BỞ I NGUỒN BẤT KỲ .................................................. 44 Ừ Ở VÙNG 2.4 DIPOLE HERTZ ...................................................................................................... 45 2.4.1 Đị nh nh nghĩ a .................................................................................................. 45 2.4.2 Tính
và
.............................................................................................. 46
2.4.3 Các đặc tính bứ c x ạ c ủa dipole Hertz ............................................................... 47
2.5 LƯỠ NG NG CỰ C NGẮN (SHORT DIPOLE) ............................................................................. 49
II
MỤC LỤ LỤC
2.5.1 Đị nh nh nghĩ a .................................................................................................. 49 2.5.2 Tính
và
.............................................................................................. 49
2.6 LƯỠ NG NG CỰ C CÓ TẢI KHÁNG ........................................................................................ 50 , 2.6.1 Phân bố dòng dòng phụ thuộc vào ( ) ................................................................. 51
2.6.2 Tính
và
.............................................................................................. 52
2.7 LƯỠ NG NG CỰ C CÓ CHIỀU DÀI HỮ U HẠN ............................................................................. 52 2.7.1 Đị nh nh nghĩ a .................................................................................................. 52 2.7.2 Tính
và
.............................................................................................. 52
2.7.3 Xét anten có chi ều dài L = /2 (anten nử a sóng) .............................................. 53
2.8 CÁC NGUỒN ANTEN DÂY (BỨ C XẠ THẲNG) ....................................................................... 54 2.8.1 Đị nh nh nghĩ a .................................................................................................. 54 2.8.2 Tính
và
.............................................................................................. 55
ưng g bứ c x ạ .................................................................................... 55 2.8.3 Các đặc tr ư n
2.9 ANTEN VÒNG TRÒN KÍCH TH ƯỚ C BÉ. ............................................................................. 55 2.9.1 Đị nh nh nghĩ a .................................................................................................. 55 2.9.2 Tính
và
.............................................................................................. 55
ưng ng bứ c x ạ ......................................................................................... 56 2.9.3 Đặc tr ư
2.10 CÁC MẶT PHẲNG ĐẤT VÀ CÁC ĐƠ N CỰ C (GROUND PLANES AND MONOPOLES ) .............................. 57 ấn đề ................................................................................................ 57 2.10.1 Đặt v ấ 2.10.2 Bài toán .................................................................................................... 57
TÓM TẮT ................................................................................................................ 61 CÂU HỎI ÔN TẬP ..................................................................................................... 62 BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ ........................ .................................... ......................... ......................... ........................ ......................... ................ ... 63 3.1 GIỚ I THIỆU ....................................................................................................... 63 3.2 HỆ THỐNG BỨ C XẠ THẲNG KHOẢNG CÁCH ĐỀU (LESA-LINEAR EQUALLY SPACED ARRAYS) ................................................................................................................................. 66 3.3 HỆ THỐNG BỨ C XẠ THẲNG KHOẢNG CÁCH ĐỀU KÍCH THÍCH ĐỒNG NHẤT (LCPESA-LINEAR CO-PHASAL EQUALLY SPACED ARRAYS) ........................................................................... ........................................................................... 68 3.4 CÁC HỆ THỐNG BỨ C XẠ HƯỚ NG NG TRỤC BROADSIDE VÀ ENDFIRE ................................ 71 3.4.1 H ệ thố ng ng Broadside ...................................................................................... 71 3.4.2 H ệ thố ng ng endfire .......................................................................................... .......................................................................................... 72
3.5 ĐỘ RỘNG BỨ C XẠ KHÔNG, ĐỘ RỘNG NỬ A CÔNG SUẤT VÀ HỆ SỐ ĐỊNH HƯỚ NG NG CỦA HỆ THỐNG BỨ C XẠ ............................................................................................................ 76 3.5.1 Độ r ộng bứ c x ạ không (BWFN) ....................................................................... 76 3.5.2 Độ r ộng nử a công suấ t (HPBW) ...................................................................... 76 3.5.3 H ệ số đị nh nh hướ ng ng ......................................................................................... 77
MỤC LỤ LỤC
I I I
3.6 NHÂN ĐỒ THỊ..................................................................................................... 77 TÓM TẮT ................................................................................................................ 80 CÂU HỎI ÔN TẬP ...................................................................................................... 81 BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUYẾ N ......................... ..................................... ......................... ......................... ........................ ................. ..... 83 4.1 GIỚ I THIỆU ....................................................................................................... 83 4.2 TRUYỀN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO ............................................................ 85 4.3 TRUYỀN SÓNG TRONG TẦNG ĐỐI LƯ U .................................................................... .................................................................... 89 4.3.1 Anten đặt trên mặt đấ t phẳng ........................................................................ 89 4.3.2 Anten đặt trên mặt đấ t c ầu ............................................................................ 94
4.4 TRUYỀN SÓNG BẰNG PHẢN XẠ TRÊN TẦNG ĐIỆN LY. ................................................ 98 ấu t ạo t ầng đ i 4.4.1 C ấ i ện ly ..................................................................................... 98 4.4.2 Đặc tính t ầng đ i i ện ly................................................................................... 100 4.4.3 Khúc x ạ và phản x ạ trong t ầng đ i iệ n ly .......................................................... 102
4.5 CÁC MÔ HÌNH THỰ C NGHIỆM KHI TRUYỀN SÓNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG........... 105 4.5.1 Mô hình Okumura ....................................................................................... 109 4.5.2 Mô hình Hata ............................................................................................. 111 4.5.3 Mô hình Walfisch - Ikegami .......................................................................... 112
TÓM TẮT .............................................................................................................. 115 CÂU HỎI ÔN TẬP.................................................................................................... 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 118
IV
HƯỚ NG NG DẪ DẪN
HƯỚ NG NG DẪN MÔ TẢ TẢ MÔN HỌ HỌC Anten – truy ề truy ền n sóng – siêu cao t ầ t ần n là mộ một trong nhữ nhữ ng ng môn họ học cho chuyên ngành Kỹ thuậ thuật Điện tử tử Truy Truy ền h ọc bao g ồ g ồm m 3 ph ần biệt tươ tương ng ứ ng ng vớ với ph ần ền thông. Môn họ ần riêng biệ ần Anten, Truy ề Truy ền n sóng và Kỹ Kỹ thuậ thuật siêu cao t ầ t ần. n. Ph ần Ph ầ n anten giớ giới thiệ thiệu các khái niệ niệm cơ c ơ bả b ản v ề v ề anten, anten, mộ một số s ố loạ lo ại anten cơ cơ bả b ản và hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ. Ph ầ Ph ần n truy ền giới thiệ thiệu quá trình truy ề truy ền n sóng trong mộ một số số môi môi ền sóng giớ trườ trường ng cơ cơ bả bản: không gian tự tự do, do, t ầ t ầng ng đố i lư lư u, u, t ầ t ầng ng điện ly và thông tin di động. động. Ph ần ần Kỹ thuậ thuật siêu cao t ầ t ần n giớ giới thiệ thiệu các phươ phương ng pháp tính toán thông số s ố trên trên đường truy ền n đường truy ề sóng, cách sử sử dụ dụng đồ th một số số thiế thiế t kế kế mạ mạch. đồ thịị Smith, mộ
NỘI DUNG MÔN HỌ HỌC
Bài 1. Tổ Tổng quan v ề v ề anten. anten.
Bài 2. Các đặc của anten. đặc tính củ
Bài 3. Lý thuyế thuyế t anten.
Bài 4. Truy ề Truy ền n sóng vô tuyế tuy ế n. n.
Bài 5. Đường Đường dây truy ền ền sóng.
Bài 6. Đồ th Đồ thịị Smith.
Bài 7. Ma trậ trận tán xạ xạ.
KIẾ KIẾ N THỨ THỨ C TI ỀN ỀN ĐỀ Môn họ học Anten – truy ề truy ền n sóng – siêu cao t ần hỏi sinh viên có n ền tảng v ề Tr ng ần đòi hỏ ền tả ề Trườ ường từ , Lý thuyế thuyế t mạ mạch. điện từ
YÊU C Ầ C ẦU U MÔN HỌ HỌC Ngườ Ngườii họ học phả phải dự dự họ học đầy buổi lên lớ lớp và làm bài tậ tập đầy đầy đủ các đủ các buổ đầy đủ ở nhà.
CÁCH TIẾ TIẾ P NHẬ NHẬN NỘ NỘI DUNG MÔN HỌ H ỌC
HƯỚ NG NG DẪ DẪN
V
tố t môn này, ngườ ngườii họ học c ần tập các bài đã họ học, trả trả lờ lời các câu hỏ hỏi và làm Để h Để họ ọc tố ần ôn tậ tập; đọc trướcc bài mớ mới và tìm thêm các thông tin liên quan đế n bài họ học. đầy đầy đủ bài đủ bài tậ đọc trướ với mỗ mỗi bài họ học, ngườ ngườii họ học đọc trướcc mụ mục tiêu và tóm tắ tắt bài họ học, sau đó đọc nội Đố i vớ đọc trướ đọc nộ dung bài họ học. Kế Kế t thúc mỗ mỗi ý củ c ủa bài họ học, ngườ ngườii đọc trả lờ lời câu hỏ hỏi ôn tậ tập và kế kế t thúc đọc trả toàn bộ bộ bài họ học, ngườ ngườii đọc tập. đọc làm các bài tậ
PHƯƠ PHƯƠ NG NG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌ HỌC Môn họ học được được đánh giá g ồm: ồm:
thứ c và nộ nội dung do giả giảng viên quyế quyế t định, hợp vớ với Điểm quá trình: 30%. Hình thứ định, phù hợ quy chế chế đ tạo và tình hình thự th ự c tế tế tạ tại nơ nơi tổ tổ chứ chứ c họ học tậ tập. đào tạ
th ứ c bài thi tự tự luậ lu ận trong 60 phút. Nộ Nội dung g ồm tập Điểm thi: 70%. Hình thứ ồm các bài tậ thuộ thuộc bài thứ thứ 1 1 đế n bài thứ thứ 9. 9.
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 1 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN Sau khi họ học xong bài này, ngườ ngườii họ học có thể thể:
ết hình d ạng một số anten. Bi ế anten.
Hi ể bản c ủa anten. ể u các đặc tính c ơ ơ b
1.1 GIỚ GIỚ I THIỆ THIỆU 1.1.1 Khái niệ niệm Anten là mộ một hệ h ệ thố thố ng ng hay mộ một thiế thiế t bị b ị dùng để bứ c xạ hay thu nhậ nhập nă n ăng lượ l ượng ng từ . điện từ Anten được sử dụ dụng cho việ việc truy ền năng lượ lượng ng điện từ từ giữ giữ a máy phát và máy thu được sử ền nă mà không c ầ c ần n một sự tham tham gia nào củ c ủa đường dẫn như như cáp cáp xoắ xoắn đôi, cáp đồng đường dây dẫ đồng trụ trục, ố ng ng dẫ dẫn sóng hay sợ sợi quang. Với mộ một ngu ồ ngu ồn n nă năng lượ lượng ng điện từ từ , anten phát sẽ sẽ bứ bứ c xạ xạ sóng điện từ từ . Sóng này lan truy ền năng lượ lượng ng ền vào trong không gian và kích thích vào anten phía thu để chuy để chuyểển đổi đổi nă sóng điện từ từ thành thành tín hiệ hiệu điện đư a xuố xuố ng ng tả tải tin. Trong nhi ều ng dụng, anten đánh bạ bại nhữ nhữ ng ng phươ phương ng tiệ tiện truy ề truy ền n tải năng lượng ều ứ ng ượng từ khác khác bở bởi vì sự sự mấ mấ t mát nă năng lượ lượng ng điện từ từ khi khi t ần số tă tăng. Ngh ĩ Ngh ĩ a là khi t ầ t ần n số số điện từ ần số sử dụng càng tă tăng cao, việ việc sử dụng các thiế thiế t bị truy ề truy ền n dẫn như như ố ng ng dẫn sóng làm bằng vậ vật liệ liệu sẽ sẽ trở trở nên kém hấ hấ p dẫ dẫn hơ hơn. Trong khi đó, hiệ hiệu suấ suấ t củ của anten sẽ sẽ tă t ăng cao khi t ầ t ần n số số càng càng cao.
1.1.2 Lịch sử sử phát phát triể triể n Sóng điện từ từ thố thố ng ng l ĩ nh sự sự hoạ hoạt động của anten được tả mộ một cách đầy hệ ĩ nh động củ được mô tả đầy đủ b đủ bở ởi hệ phươ phương ng trình Maxwell vào nă năm 1876. Ông đã thố thố ng ng nhấ nhấ t các định luật được định luậ được phát minh trướ trướcc đó củ của Ampère, Faraday, Gauss và hình thành nên mộ một định chứ ng ng minh rằ rằng định lý chứ sự biế biế n thiên sóng điện từ từ tạ tạo nên sự sự lan lan truy ề truy ền. n.
TRANG 2 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Năm 1886: Heinrich Hertz, mộ một nhà vậ vật lý nướ nướcc Đứ c đã thí nghiệ nghiệm và kiể kiểm tra sự t t ồn tại củ của sóng điện từ từ . Ông đã sáng tạ tạo nên anten vòng và anten lưỡ l ưỡng ng cự cự c ồn tạ giản. Sau đó ông làm nhữ nhữ ng ng thí nghiệ nghiệm vớ với nhữ nhữ ng ng anten có gắ gắn thanh phả phản đơn đơn giả sóng đơn. đơn.
Năm 1897: Alexander PoPov, nhà vậ vật lý Nga đã sáng tạ tạo ra tuyế tuyế n anten thự thự c sự sự khả nă năng truy ền hiệu qua khoả khoảng cách 3 dặ dặm. đầu đầu tiên có khả ền tín hiệ
Năm 1901: Gugliema Marconi đã thự thự c hiệ hiện thành công việ việc truy ền tuy ế n ền thông vô tuyế vượt Dương ng l ần tại khoả khoảng t ần số 60 60 KHz ượt Đại Đại Tây Dươ ần đầu đầu tiên tạ ần số
Năm 1916: Nế Nế u như như trướ trướcc 1916 tấ tấ t cả nhữ nhữ ng ng hệ thố thố ng ng vô tuyế tuyế n truy ền ền thông (điện báo) thì đế n 1916 việ việc sử dụng tín hiệ hiệu AM đầu đều đều dự a trên telegraphy (đ đầu tiên đã chứ chứ ng ng minh cho truy ề truy ền n được hiệu thoạ thoại. được tín hiệ
Nhữ Nhữ ng ng nă năm 1920: Các ngu ồn khả nă năng tạ tạo ra tín hiệ hiệu 1MHz. Từ Từ đ ồn phát sóng có khả đó sự phát phát triể triển củ của anten có tính dộ dội âm đầu đã kéo theo sự đầu tiên.
Nhữ Nhữ ng ng nă n ăm 1930: Các ngu ồn t ạo ra tín hiệ hiệu t ầ t ần n số s ố cao cao hơ hơn tiế ti ế p tụ t ục phát triể triển ồn tạ tới hàng GHz.
Năm 1934: Hệ Hệ thố thố ng ng điện thoạ thoại vô tuyế tuyế n thươ thương ng mạ mại đầu ho ạt động đầu tiên ra đời đời hoạ động tại t ần số 1,8 1,8 GHZ cho sự sự trao đổi giữ a Anh và Pháp. ần số đổi giữ
Nhữ Nhữ ng ng nă năm 1940-1945: Vớ Với nhữ nhữ ng ng nỗ nỗ lự lự c nghiên cứ cứ u từ từ cuộ cuộc chiế chiế n tranh thế thế giớ giới thứ thứ 2; 2; các hệ hệ th thố ng ng radar; reflector; hệ hệ thố thố ng ng bứ c xạ (arrays); anten lens; nhữ nhữ ng ng bộ lọ lọc cho ố ng ng dẫ dẫn sóng l ần lượtt ra đời. ần lượ đời.
Từ 1945 1945 đế n nay: đây là kỷ kỷ nguyên củ của anten hiệ hiện đại, đại, anten đã truy ền ền được được sóng vô tuyế tuyế n radio và TV trên toàn thế thế giớ giới. Bằ Bằng chứ chứ ng ng cho sự sự phát phát triể triển này là kỹ kỹ thuậ thuật vệ tinh. Anten có thể th ể sử sử d dụng nhi ều như GPS, GPS, Wireless LAN… ều mục đích như
1.1.3 Các loạ loại anten.
Anten dây (Wire Antenna): là Antenna): là mộ một dây dẫ dẫn điện kim loạ loại có nhi ều dạng khác ều hình dạ nhau: - Dipole: còn Dipole: còn được gọi là anten dây thẳ thẳng hay lưỡ lưỡng ng cự cự c. c. được gọ
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 3 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Hình 1.1 – Anten lưỡ lưỡng ng cự cự c - Monopole: ( Monopole: (đơ n cự cự c) c) đơn
Hình 1.2 – Anten đơn cự c đơn cự - Loop antenna: (Anten antenna: (Anten vòng)
Hình 1.3 – Anten vòng - Helix antenna: (Anten antenna: (Anten xoắ xoắn)
Hình 1.4 – Anten lưỡ lưỡng ng cự cự c
TRANG 4 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Anten mặ mặt (Aperture Antenna hay Horn Antenna)
Là loạ loại anten rấ rấ t thuậ thuận lợ l ợi khi lắ lắp đặt vũ trụ tr ụ, máy bay hay thân tên đặt trên thân tàu vũ lử a. a. Chúng có thể thể được phủ mộ một lớ lớp điện môi để tránh hại củ của môi trườ tr ường. ng. được phủ để tránh tác hạ
Hình 1.5 – Anten mặ mặt
Anten vi dả dải (MicroStrip Antenna)
G ồm miế ng ng kim loạ loại đặt một n ền, miế ng ng kim loạ loại có thể thể có nhi ều ồm một miế đặt trên mộ ền, miế ều dạng khác nhau phổ phổ biế biế n là hình tròn.
Hình 1.6 – Anten vi dả dải
Hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ (Array Antenna)
Hình 1.7 – Hệ Hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 5 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Anten này có thể th ể đáp ứ ng ng các đặc bứ c xạ đặc biệt mà mộ một anten đơn giản không đặc tính bứ đặc biệ đơn giả thể thể đáp ứ ng ng được. phát xạ xạ ở một hướ h ướng ng nào đó và đạt tiểu được. Nó đạt đạt được được một sự phát đạt cự c tiể hướng ng còn lạ lại. ở các hướ
Anten phả phản xạ xạ hay anten gươ g ươ ng ng (Reflector Antenna)
Do nhu c ầ c ầu u liên lạ lạc ở khoả khoảng cách xa để khoảng cách hàng triệ triệu để phát và thu ở khoả km. Anten phả phản xạ có tính định bị nhiễ nhiễu. N ền phản xạ là mặt định hướng ướng cao và ít bị ền mặt phả parabol bằ bằng kim loạ loại.
Hình 1.8 – Anten phả phản xạ xạ
Anten thấ thấ u kính (Lens Antenna) Dùng để ng năng lượ lượng ng phát xạ xạ tớ t ới nhữ nhữ ng ng hướ hướng ng không c ầ c ần n thiế thiế t. t. để ngăăn nă
Hình 1.9 – Anten thấ th ấ u kính
TRANG 6 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
1.2 CÁC ĐẶC ĐẶC TÍNH CỦ CỦA ANTEN 1.2.1 Trở Trở kháng kháng ngõ vào Anten là thiế thiế t bị bị dùng để thu hoặc phát sóng điện từ từ . Trong mạ mạch điện ta xem anten để thu hoặ như như mộ một trở trở kháng: ZA = RA + jXA
(1.1)
lấ y nă năng lượ lượng ng tín hiệ hiệu điện từ từ máy máy phát và bứ bứ c xạ xạ điện từ từ ra ra Chế độ phát: anten lấ môi trườ trường ng không gian nên đóng vai trò là tả tải củ của ngu ồn. ồn.
Z S
I A Z A
V S
Hình 1.10 – Anten ở chế chế độ phát độ phát Chúng ta khả khảo sát mộ một máy phát có trở trở kháng vào là ZS tạ t ạo ra mộ một tín hiệ hiệu có điện áp là VS nố nố i vớ với mộ một anten có trở trở kháng vào là ZA. Nă N ăng lượ lượng ng ngu ồn từ máy máy phát cấ cấ p ồn từ cho anten không bứ b ứ c xạ x ạ toàn bộ bộ thành nă năng lượ lượng ng sóng điện từ từ mà mà có mộ một ph ầ ph ần n tiêu hao trên anten do cấ c ấ u tạ tạo anten bằ bằng nhữ nhữ ng ng vậ vật liệ liệu không lý tưở tưởng. ng. Ta gọ gọi:
RA: điện trở trở củ của anten đặc trư ng ng cho nă năng lượ lượng ng tiêu thụ thụ trên anten. đặc trư
jXA:
là điện kháng củ của anten.
Gọi PA là công suấ suấ t nhậ nhận ở đầu của anten. đầu vào củ
Mà:
∗ ∗ || ||
Thay (1.3) vào (1.2), ta có:
(1.2)
(1.3)
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 7 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
|||| √ 2 ∗ ↔ | | || || || || |||||| 1 |||| Γ 1 |Γ|
(1.4)
Chú ý:
(1.5)
Từ lý lý thuyế thuyế t mạ mạch đã biế biế t, t, tổ tổng công suấ suấ t nhậ nhận ở đầu sẽ đạt cự c đại đầu vào anten sẽ đạt cự đại khi thỏ thỏa mãn đi ều kiện phố phố i hợ hợp trở trở kháng giữ giữ a tả tải và ngu ồ ngu ồn: n: ều kiệ (1.6)
Khi đó công suấ suấ t ngõ vào anten đạt cự c đại bằng: đạt cự đại và bằ
(1.7)
Gọi q là hệ hệ số số ghép ghép công suấ suấ t hay hệ hệ số số phố phố i hợ hợp trở trở kháng. Khi anten không phố phố i hợp trở trở kháng vớ với ngu ồn ồn thì: (1.8)
Suy ra:
(1.9)
Khi Z S là thu ầ thu ần n trở trở (XS = 0) thì hệ hệ số số ghép ghép công suấ suấ t biể biểu diễ diễn như như sau: sau:
(1.10)
Với là hệ hệ số số phả phản xạ xạ:
(1.11)
Hệ số số ghép ghép công suấ suấ t biể biểu diễ diễn như như sau: sau:
từ r r ồi cấ p cho tả tải là máy thu Chế ế độ độ thu: anten thu sóng điện từ ồi cấ
là ngu ồn của tả tải tin. ồn củ
anten
(1.12)
đóng vai trò
TRANG 8 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Hình 1.11 – Anten ở chế chế độ thu độ thu
1.2.2 Hiệ Hiệu suấ suấ t củ của anten Khi anten sử sử dụ dụng ở chế chế độ phát thiế t bị bị dùng để b xạ nă năng lượ lượng ng sóng độ phát thì nó là thiế để bứ ứ c xạ từ . Mộ Một cách lý tưở tưởng ng thì anten phát sẽ s ẽ bứ bứ c xạ xạ tấ tấ t cả cả công suấ suấ t mà nó nhậ nh ận được điện từ được từ ngu Như ng ng trong thự thự c tế , các tổ tổn hao v ề v ề điện và điện môi đã làm cho anten không ừ ngu ồn. ồn. Như thể thể bứ bứ c xạ xạ tấ tấ t cả cả nă năng lượ lượng ng mà nó nhậ nhận được. được. Gọi P R là công suấ suấ t bứ b ứ c xạ x ạ thự th ự c sự s ự củ c ủa anten. Hiệ Hiệu suấ su ấ t anten, ký hiệ hiệu e, là tỷ tỷ số s ố giữ giữ a công suấ suấ t anten bứ bứ c xạ xạ thự thự c sự sự vớ với toàn bộ bộ công suấ suấ t anten nhậ nhận được từ ngu ngu ồn: được từ ồn:
1
(1.13)
Gọi PD là công suấ suấ t tổ tổn hao do nhiệ nhiệt trên anten. Ta luôn có:
Từ (1.13): (1.13):
Gọi:
(1.14)
(1.15)
RR:
trở bứ bứ c xạ xạ đặc trư ng ng cho ph ầ ph ần n công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ ra ngoài không gian. Điện trở đặc trư
RD:
trở tổ tổn hao đặc trư ng ng cho ph ầ ph ần n công suấ suấ t tổ tổn hao dướ dướii dạ dạng nhiệ nhiệt. Điện trở đặc trư
|||| ||
(1.16)
Thay (1.16) vào (1.13), ta có:
Hiệ Hiệu suấ suấ t anten có thể th ể tính bằ bằng phươ phương ng trình khác:
(1.17)
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 9 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
(1.18)
Ví dụ dụ 1.1: M 1.1: Mộ trở kháng vào ZA = 75 + j43 () có điện trở trở tổ tổn hao là RD ột anten có trở = 2 ()được nố i vớ với mộ một máy phát có VSRMS = 10 (V) và R S = 50 (). được nố a. Vẽ sơ sơ đồ t ng đương của hệ hệ thố thố ng. ng. đồ tươ ương đương củ b. Tính công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ, tổ tổn hao, tiêu thụ thụ và hiệ hiệu suấ suấ t củ của anten. Giả Giải a) Sơ đồ t ng đương: đồ tươ ương đương: RS 50 I A V A V S , RMS
10V
b) Ta có:
| |√ 2 10√ √ 2 || | | || | 0,075√ 2 RR = RA – RD = 75 – 2 = 73 ( )
Công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ:
|| .73.0,075√ 22 0,4 || .2.0,075√ 22 0,01 || .75.0,075√ 22 0,41
Công suấ suấ t tổ tổn hao:
Công suấ suấ t tiêu thụ thụ:
Hiệ Hiệu suấ suấ t anten:
Z A
75
j 43
TRANG 10 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
97% 1.2.3 Trườ Trườ ng ng điện từ từ đượ đượ c tạ tạo bở bở i anten Công suấ suấ t P R được b ứ c xạ x ạ bở b ởi anten dướ dướii dạ d ạng trườ trường ng điện từ t ừ . Trườ Trường ng điện từ t ừ này này được bứ g ồm ph ần: n: ồm có 2 ph ầ
/ /
Trườ Trường ng điện
Trườ Trường ng từ từ
vuông góc vớ với nhau và cùng vuông góc vớ với phươ phương ng truy ền ền sóng.
z
0
θ=constant
y
x
Hình 1.12 – Trườ Trường ng bứ bứ c xạ xạ bở bởi anten
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 11 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Giả Giả sử sử anten anten đặt tại gố gố c tọ tọa độ. khảo sát trườ trường ng điện từ từ do do anten tạ tạo ra tạ tại điểm đặt tạ độ. Ta khả M bấ bấ t kỳ kỳ trong không gian. Chú ý:
≡
là vector đơn vị trùng vớ với đoạn thẳ thẳng nố nố i li ền gố c tọ tọa độ đế n vị vị trí đang xét. đơn vị ền gố
là vecto đơn vị vuông góc bán kính đường n ằm trong mặ mặt phẳ phẳng đơn vị đường tròn bán kính OM nằ
zoy, zox có chi ều ều theo θ. là vector đơn chiế u đơn vị vuông góc bán kính đường đường tròn bán kính OM’ (M’ là hình chiế
của M trên mặ mặt phẳ phẳng xOy) nằ nằm trong mặ mặt phẳ phẳng xOy, có chi ều ều theo .
1.2.3.1 Điện trườ trườ ng ng Trườ Trường ng điện do anten bứ bứ c xạ xạ:
Do
(1.19)
,, ,
(1.20)
phương ng truy ền phụ thuộ thuộc vào khoả khoảng vuông góc vớ với phươ ền sóng nên Er = 0 và phụ
cách r:
Trong đó:
4.4. 1010 / .. /
là hệ hệ số số truy ề truy ền n sóng trong không gian tự tự do. do. : độ t thẩm trong không gian tự tự do. do. độ từ ừ thẩ
: độ điện thẩ thẩm trong không gian tự t ự do. do.
c = 3.108 (m/s): vậ vận tố tố c ánh sáng trong không gian tự tự do. do. : bướ bướcc sóng củ của tín hiệ hiệu.
Khi đó, ta có:
Với quy ước: ước:
,, ,
(1.21)
TRANG 12 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
,, ,, ,
(1.22)
Và hàm phươ phương ng hướ hướng: ng:
(1.23)
Kế t luậ luận: Điện trườ trường ng lan truy ề truy ền n theo hướ hướng ng xuyên tâm từ từ anten anten (tứ (tứ c là lan truy ền ền theo hướ hướng ng ).
trường ng suy giả giảm theo khoả khoảng cách r. Điện trườ
Không có thành ph ầ ph ần n hướ hướng ng tâm
Cường trường ng dọ dọc theo , ường độ điện trườ
trư trư ng ng là các hàm F, F.
phụ phụ thuộ thuộc tùy theo hướ hướng ng bứ bứ c xạ xạ, đặc đặc
1.2.3.2 Từ trườ trườ ng ng v ới ngườ ngườii quan sát trườ trường ng ở xa, trườ trường ng điện bứ b ứ c xạ bở b ởi anten giố giố ng ng như như sóng sóng Đố i vớ phẳ phẳng trườ trường ng từ từ có có phươ phương ng trình như như sau: sau:
,, , 120
(1.24)
Z: trở trở kháng sóng củ của môi trườ trường. ng.
: trở trở kháng sóng củ của không gian tự tự do. do.
cường ng độ điện tr trường cường ng độ t trường ng nằ nằm trong mặ mặt phẳ phẳng ết luận: Vector cườ K ế ường và cườ độ từ ừ trườ
vuông góc vớ với phươ phương ng truy ề truy ền n sóng. Vector cườ cường ng độ từ trườ trường ng cũng không có thành ph ần cả 2 thành ph ầ ph ần n vuông góc nhau và cùng vuông góc vớ v ới phươ phương ng ần hướng ướng tâm, cả truy ền ền sóng.
1.2.4 Công suấ suấ t trườ trườ ng ng điện từ từ 1.2.4.1 Mật độ độ công công suấ suấ t Năng lượng trường ng điện từ biế biế n thiên lan truy ề truy ền n thành dòng nă năng lượng ượng của trườ ượng với vector mậ mật độ công suấ t là ph ầ ph ần n thự thự c củ của vector Poynting: độ công suấ
∗
(1.25)
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 13 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Vector mậ mật độ b xạ là ph ần thự c củ của vector Poynting: độ bứ ứ c xạ ần thự
,, ,, ,, ,, ∗ ,, ,, ∗,, ∗,, |,, | ,, |,, | ,, |,| ,
(1.26)
Mật độ b xạ: độ bứ ứ c xạ
(1.27)
Hay:
(1.28)
Vector mậ mật độ công suấ t bứ bứ c xạ xạ có phươ phương ng theo phươ phương ng củ của , có chi ều khỏi độ công suấ ều đi ra khỏ
anten. Do đó nă năng lượ lượng ng được bứ c xạ xạ ra bên ngoài. được bứ
Mật độ công suấ t bứ c xạ suy giả giảm tỷ lệ nghị nghịch với nghị nghịch đảo phương ng độ công suấ đảo của bình phươ khoả khoảng cách từ từ đ điểm quan sát đế n anten.
1.2.4.2 Cườ ng ng độ độ b bứ ứ c xạ xạ Là đại lượng ng không phụ phụ thuộ thuộc vào khoả khoảng cách r, chỉ chỉ phụ phụ thuộ thuộc vào phươ phương ng hướ hướng ng đại lượ (, ).
,, |,| ,
(1.29)
1.2.4.3 Công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ
tổng công suấ suấ t mà anten bứ bứ c xạ xạ tạ tại vị vị trí M cách anten mộ một khoả khoảng r ta dùng Để tính Để tính tổ S là 1 mặ mặt kín bấ bấ t kỳ kỳ bao quanh anten đi qua điểm M khả khảo sát. Và để đơn giản, ta chọ chọn đơn giả S là mặ mặt c ầu tổng công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ bở bởi anten là PR sẽ sẽ bằ bằng tổ tổng ầu có bán kính r. Do đó, tổ công suấ suấ t gử gử i qua b ề m của quả quả c ầu ề mặặt S củ ầu đó:
∯
(1.30)
TRANG 14 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
trong đó:
∯ |,| , ∯ |,| , |,| , ∯ ,,
(1.31)
(1.32)
Hay:
với
(1.33)
K ế ết luận:
Tổng công suấ suấ t PR được bứ c xạ x ạ bở b ởi anten mà trong ph ầ ph ần n trướ trướcc được biểu diễ diễn như như được bứ được biể là tích số số giữ giữ a hiệ hiệu suấ suấ t củ của anten vớ với công suấ suấ t PA nhậ nh ận được từ ngu ồ ngu ồn n PR = eP A bây được từ giờ giờ có thể thể tính được lấ y tích phân cườ cường ng độ b b ề m mặặt kín S bao được bằng cách lấ độ bứ ứ c xạ trên b ề quanh anten và đi qua điểm M khả khảo sát. Ví dụ 1.2: Trườ Trường ng điện từ ở vùng xa bứ bứ c xạ bởi anten được bởi hàm phươ phương ng được cho bở hướng: ướng:
,,
Giả Giả sử rằng hiệ hiệu suấ suấ t của anten là 25% và dòng điện vào anten IA = 1 (A), môi trườ trường ng khả khảo sát là không gian tự tự do. do. Tính: a. Vector mậ mật độ công suấ t bứ bứ c xạ xạ. độ công suấ b. Mật độ công suấ t bứ bứ c xạ xạ độ công suấ c. Cường xạ ường độ b độ bứ ứ c xạ d. Tổng công suấ suấ t được bứ c xạ xạ bở bởi anten được bứ e. Điện trở trở bứ bứ c xạ xạ củ của anten f. Điện trở trở tổ tổn hao củ của anten
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 15 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
g. Điện trở trở ngõ vào củ của anten h. Tổng công suấ suấ t PA mà anten nhậ nh ận từ từ ngu ngu ồn ồn Giả Giải: a)
|,, | ,, sin 2401 sin sin /2 ,, sin
Môi trườ trường ng không gian tự tự do: do: Z = Z0 = 120 ()
b) c)
d) Công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ:
1 , 240 1 1 240 1 1 240 2 2 1 1 1 1 1 120 1 1 120 3 cos 901 0,011
e) Điện trở trở bứ bứ c xạ xạ:
|2| 90.21 451 0,022 Ω 0,25 → 3 151 0,067 Ω 454 0,089 Ω
f) Điện trở trở tổ tổn hao:
g) Điện trở trở ngõ vào anten:
h)Tổ h)Tổng công suấ suấ t: t:
TRANG 16 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
12 || 12 454 1 452 0,044
1.2.5 Phân cự cự c (Polarization) 1.2.5.1 Định Định ngh ĩ ngh ĩa a
Sự phân phân cự cự c của anten được cự c của sóng điện từ ở vùng xa do được xác định định là phân cự anten bứ bứ c xạ. Phân cự cự c của sóng điện từ là là hình ảnh để lại bởi đầu của vector đầu mút củ cường trường ng ường độ điện trườ
lan lan truy ề truy ền n theo thờ thời gian t khi được phương ng được quan sát theo phươ
truy ền c ự c anten, ngườ ngườii ta chỉ chỉ quan tâm hình ảnh để lại của đầu ền sóng. Khi xét phân cự đầu mút vector cườ cường ng độ tr ng điện theo thờ thời gian nên chọ chọn hệ hệ trụ trục tọ tọa độ Descartes độ trườ ường độ Descartes để khả khảo sát. Tạ Tại các hướ hướng ng khác nhau trong không gian, sóng điện từ từ lan lan truy ề truy ền n sẽ sẽ phân cự c khác nhau. Do đó chúng ta thườ th ường ng xét sự sự phân phân cự cự c của sóng tạ tại các hướ hướng ng khác nhau trong không gian. ực anten: Quy t ắc để xét xét phân c ự
Lập biể biểu th thứ c củ của cườ cường ng độ t Bướ c 1. Lậ độ trrường ường điện cách thay các giá trị trị r, , ,
,
dọc theo hướ hướng ng khả khảo sát bằ bằng
tạ tại 1 điểm M bấ bấ t kỳ kỳ thuộ thuộc hướ hướng ng sóng lan truy ề truy ền n bở bởi
các giá trị trị tươ tương ng ứ ng ng trong hệ hệ toạ toạ độ Descartes. độ Descartes.
Hình 1.13 – Sóng phân cự cự c tuyế tuyế n tính
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 17 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Hình 1.14 – Sóng phân cự cự c tròn Chú ý:
ph ần nế u vị vị trí khả khảo sát ở ph ần của các trụ trục tọ tọa độ (-x,-y,Ở ph ần biên độ c độ củ ủa sóng, nế ần âm củ độ (-x,-y,z) thì phả phải lấ lấ y trị trị dươ dương. ng. Ví dụ dụ |x|; |y|. tấ t cả cả các giá trị trị -1; +j; -j v ề v ề hàm hàm mũ mũ như như sau: sau: Đư a tấ
, , , ,
Lập biể biểu thứ thứ c củ của Bướ c 2. Lậ trườ trường ng điện
1→→/ → /
trong trong mi ền thời gian. Biể Biểu thứ thứ c theo thờ thời gian củ của ền thờ
:
(1.34)
Khảo sát các trườ trường ng hợ hợp sau: Bướ c 3. Khả
Nế u biể biểu thứ thứ c
có có 1 thành ph ầ ph ần n hoặ hoặc 2 thành ph ầ ph ần n mà hiệ hiệu pha củ của chúng
là k (k là số số nguyên) nguyên) thì hình ảnh củ của đầu đầu mút
truy ền n theo thờ thời gian để l để lạại khi lan truy ề
sẽ nằ nằm trên mộ một đường thẳng nên sóng mà anten bứ b ứ c xạ xạ phân cự cự c thẳ thẳng. Suy ra anten đường thẳ gọi là phân cự cự c tuyế tuyế n tính. Tùy theo phươ phương ng củ của sóng mà ực thẳng hay còn gọ đó phân c ự ta có hai loạ loại là phân cự cự c ngang hay phân cự cự c đứ ng. ng.
TRANG 18 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
,
Nế u biể biểu thứ thứ c
có có 2 thành ph ầ ph ần n mà hiệ hiệu pha củ của chúng là /2 + k , (k là
số nguyên) nguyên) và biên độ hai ph ần n đó bằ bằng nhau thì hình ảnh củ của đầu độ hai thành ph ầ đầu mút
để để
lại khi lan truy ề truy ền n theo thờ thời gian sẽ sẽ nằ n ằm trên mộ một đường b ứ c đường tròn nên sóng mà anten bứ xạ phân cự cự c tròn. Suy ra anten đó phân c ự ực tròn.
, ,
Nhữ Nhữ ng ng trườ trường ng hợ hợp
có có 2 thành ph ầ ph ần n có quan hệ hệ biên độ và bấ t kỳ kỳ, độ và pha bấ
khi ấ y trườ trường ng điện tổ tổng có dạ dạng phân cự cự c ellip. Suy ra sóng hay anten phân c ự ực ellip. Trong trườ trường ng hợ hợp phân cự cự c tròn hay elip, đứ ng ng tạ tại gố gố c tọ tọa độ nhìn dọc theo phươ phương ng độ nhìn dọ truy ền ền sóng. Vector
sẽ sẽ quay theo chi ều từ phía phía có thành ph ần ều từ ần nhanh pha (pha
lớn hơ hơn) v ề phía ph ần n chậ chậm pha hơ hơn theo con đường ngắn nhấ nhấ t. t. Nế Nế u đầu ề phía có thành ph ầ đường ngắ đầu mút vector
,
vẽ vẽ nên đường h ồ ta ta gọ gọi là CW (Clock đường tròn hay ellip cùng chi ều ều kim đồng đồng h ồ
Wise) và ngượ ngượcc lạ lại ta gọ gọi là CCW (CounterClock Wise). Ví dụ dụ 1.3: Cường ng điện ở vùng xa được bứ c xạ xạ bở bởi anten cho như như sau: sau: ường độ tr độ trườ ường được bứ
Cho biế biế t đặc cự c củ của anten ở các hướ hướng ng dọ dọc theo trụ trục sau: đặc tính phân cự a/ +x
; b/ +y
c/ -x
; d/ -y
Giả Giải: Hướ ng ng +x: Ta +x: Ta xét điểm M nằ n ằm trên trụ trục +x có tọ tọa độ: độ:
,r=x
= /2, = 0,
, cos cos / /22 , Vì vector
,
có có 2 thành ph ầ ph ần n trườ trường ng ngượ ngượcc pha và biên độ b độ bằằng nhau nên sóng
phân cự cự c tròn.
Hướ ng ng +y: = /2, = /2,
,
,r=y
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 19 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
, cosos /2/2 , , cos cos /2/2 Vì biể biểu thứ thứ c
có 1 thành ph ầ ph ần n nên sóng phân cự cự c tuyế tuyế n tính.
Hướ ng ng –x: = /2, = ,
,
, r = -x = |x|
Sóng phân cự cự c tròn.
Hướ ng ng –y: = /2, = 3 /2,
,
, r = -y = |y|
, cosos /2/2
Sóng phân cự cự c tuyế tuyế n tính.
1.2.5.2 Vector phân cự cự c củ của anten tả đặc cự c củ của anten, ngườ ngườii ta sử sử dụ dụng vector phân cự cự c Để mô Để mô tả đặc tính phân cự như sau: sau: được được định định ngh ĩ a như
Trong đó:
Từ đ ừ đó, ta có:
,, ,,,,,, ,, |,, | , ,, ,, ,, ,,
,,
và và
(1.35)
(1.36)
(1.37) (1.38)
TRANG 20 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
1.2.6 Đồ th Đồ thịị b bứ ứ c xạ xạ củ của anten bứ c xạ xạ là sự sự phụ phụ thuộ thuộc củ của cườ cường ng độ b xạ U(,) hoặ hoặc hàm phươ phương ng hướ hướng ng Đồ th Đồ thịị bứ độ bứ ứ c xạ F(,) vào các hướ hướng ng trong không gian khi khoả kho ảng cách từ từ anten anten đế n điểm quan sát là không đổi. bứ c xạ xạ phả phản ánh nhữ nhữ ng ng thông tin v ề v ề s sự phân bố bố nă năng lượ lượng, ng, v ề pha đổi. Đồ th Đồ thịị bứ ự phân ề pha và sự sự phân phân cự cự c củ của trườ trường ng bứ bứ c xạ xạ thông qua các hàm U(,) và F(,). Trong thự thự c tế tế , ngườ ngườii ta thườ thường ng nghiên cứ cứ u các anten đố i xứ xứ ng ng trụ trục hoặ hoặc các anten với các đặc xứ ng ng khác. Và không gian 2 chi ều mặt cắ cắt củ của không gian đặc điểm đố i xứ ều là các mặ 3 chi ều. vậy, chỉ chỉ c ần biểu diễ diễn đồ th bứ c xạ xạ trong không gian 2 chi ều hiệu ều. Do vậ ần biể đồ thịị bứ ều là đã có hiệ quả quả cho việ việc mô tả tả các đặc bứ c xạ xạ củ của anten. Khi vẽ vẽ đồ th bứ c xạ xạ, ngườ ngườii ta cũ cũng đặc tính bứ đồ thịị bứ chỉ chỉ quan tâm đế n chấ chấ t lượng biểu diễ diễn ở các hướ hướng ng khác nhau mà không ượng của anten biể quan tâm đế n độ l tuyệt đố i. i. Do đó, ta thườ thường ng đư a v ề d chuẩn hóa như như sau: sau: độ lớ ớn tuyệ ề dạạng chuẩ
,,,, ,,,, maxmax,,,,
Với:
K ế ết luận:
(1.39)
(1.40)
Sự phụ phụ thuộ thuộc củ của cườ cường ng độ b xạ U(,) vào các hướ hướng ng khác nhau trong không độ bứ ứ c xạ
gian gọ gọi là đồ th bứ c xạ xạ công suấ suấ t. t. đồ thịị bứ
Sự phụ phụ thuộ thuộc củ của F(,) vào các hướ hướng ng khác nhau trong không gian gọ gọi là đồ th đồ thịị
bứ c xạ xạ trườ trường. ng. Vì
,, ,,
nên: nên:
,, ,,
(1.41)
Khi vẽ vẽ đồ th bứ c xạ xạ củ của anten, chúng ta thườ thường ng đề c bứ c xạ xạ mạ mạnh đồ thịị bứ đề cậập đế n vùng bứ nhấ nhấ t gọ gọi là búp sóng chính (main lobe). Sự Sự bứ bứ c xạ xạ ở nhữ nhữ ng ng hướ hướng ng khác yế yế u hơ hơn gọ gọi là búp sóng phụ phụ (side lobe).
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 21 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Hình 1.15 –Đồ –Đồ th thịị bứ bứ c xạ xạ củ của anten Ví dụ dụ 1.4: Tr 1.4: Trườ ng bứ bứ c xạ xạ ở vùng xa củ của mộ một anten được bởi: ường được xác định định bở
Vẽ đồ thị thị bứ c xạ trườ trường ng và công suấ suấ t của anten trên các mặ mặt phẳ phẳng xOy; xOz và yOz. Giả Giải: Mặt phẳ phẳng xOy:
0 /2 2
,, |,, | , || 1 max,, 1 → ,, || 1
Do đó đồ th bứ c xạ xạ trườ trường ng củ của anten trên là mộ m ột đường m ặt phẳ phẳng xOy. đồ thịị bứ đường tròn trong mặ Mặt phẳ phẳng xOz:
00,0, 0 0, 0
của trườ trường ng trong mặ mặt phẳ phẳng xoz là Đồ th Đồ thịị độ l độ lớ ớn củ tròn ở phía = 0 và khi Mặt phẳ phẳng yOz:
.
của trườ trường ng trong mặ mặt phẳ phẳng xoz là Đồ th Đồ thịị độ l độ lớ ớn củ tròn ở phía = /2 và 3 /2 khi
.
,, ||
vẽ vẽ nên hai đường đường
,, ||
vẽ vẽ nên hai đường đường
bứ c xạ xạ công suấ suấ t có được bằng cách suy ra từ từ đồ thịị bứ bứ c xạ xạ trườ trường ng theo công Đồ th Đồ thịị bứ được bằ đồ th thứ thứ c (1.41):
TRANG 22 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
,, ,, sin
a)
b) Hình 1.16 –Đồ –Đồ th thịị bứ bứ c xạ xạ công suấ suấ t (a) và bứ bứ c xạ xạ trườ trường ng (b) củ của anten
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 23 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
1.2.7 Độ r Độ rộ ộng nử nử a công suấ suấ t và độ độ r rộ ộng giữ giữ a các hướ hướ ng ng bứ bứ c xạ không đầu đầu tiên. 1.2.7.1 Độ rộng nử a công suấ suấ t (HPBW – Half Power Beam Width) HPBW củ của mộ m ột anten được b ởi góc bao quanh hướ hướng ng bứ c xạ cự c đại được đo bở đại hợp bởi 2 hướng cường ng độ b xạ bằ bằng mộ một nử nử a cườ cường ng độ b xạ cự cự c đại. ướng mà có cườ độ bứ ứ c xạ độ bứ ứ c xạ đại.
(1.42)
left right
Hình 1.17 –Độ –Độ r rộ nử a công suấ suấ t ộng nử
1.2.7.2 Độ r Độ rộ ộng giữ giữ a các hướ hướ ng ng bứ bứ c xạ xạ không đầu đầu tiên (FNBW – First Null Beam Width) FNBW là góc giữ giữ a các điểm không củ của búp đầu k ề li ền mặt đầu tiên k ề ền búp chính trong mặ phẳ phẳng.
0 ,,
(1.43)
Ví dụ dụ 1.5: Đồ th bứ c xạ xạ ở vùng xa củ của mộ một anten được bởi cườ cường ng độ điện Đồ thịị bứ được xác định định bở trườ trường ng chuẩ chuẩn hóa:
Xác định định HPBW và FNBW.
TRANG 24 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Null left
U n (
Null
)
U n ( right )
0 Null left
0
Null right
Hình 1.18 –Độ –Độ r rộ giữ a các hướ hướng ng bứ bứ c xạ xạ không đầu ộng giữ đầu tiên
1
/ 4
2
Cường xạ chuẩ chuẩn hóa: ường độ b độ bứ ứ c xạ Xét trong mặ mặt phẳ phẳng zOx:
3 / 4
,, 0 ,, ,, sin 0,0, → 3/4/4
Hình 1.19 –HPBW vớ với Giả Giải:
Hướng bứ c xạ xạ nử nử a công suấ suấ t: t: ướng bứ
Vậy HPBW = 3 /4 - /4 = /2
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 25
0 → 0
ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Hướng bứ c xạ xạ không: ướng bứ FNBW =
Ngườ Ngườii ta dùng HPBW và FNBW để đánh giá búp chính rộ rộng hay hẹ hẹp ứ ng ng dụ dụng cho nhữ nhữ ng ng mụ mục đích khác nhau trong thông tin vô tuyế tuyế n và radar.
1.2.8 Góc khố khố i của chùm tia bứ bứ c xạ (ABSA - Antenna Beam Solid Angle) U max U max S
r
Hình 1.20 –Góc khố khố i củ của chùm tia bứ bứ c xạ xạ ABSA củ của mộ m ột anten là góc khố kh ố i củ c ủa mộ m ột anten tươ tương ng đương suấ t bứ b ứ c xạ xạ đương có công suấ cũng giố giố ng ng như như anten anten đang xét như như ng ng cườ cường ng độ b x ạ là hằng số số và và bằng cườ cường ng độ độ bứ ứ c xạ bứ c xạ xạ cự cự c đại của anten đang xét và không có búp sóng phụ phụ. đại Umax củ
Ω ∯ ,, Ω ,, ,, ,,
(1.44)
Hiể Hiển nhiên vớ với mọ mọi anten đẳng hướng ng có cườ cường ng độ b xạ không đổi với tấ t ấ t cả cả các đẳng hướ độ bứ ứ c xạ đổi vớ góc khố khố i, i, ngh ĩ a là U(,)= Umax thì:
TRANG 26 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Ω Ω 4 ,, Ω ,, sin 8/3
Với các anten có hướ hướng ng khác ta luôn có A < 4. Ví dụ dụ 1.6: M 1.6: Mộ cường ng độ chu ột anten có cườ độ chuẩẩn hóa
. Tìm ABSA.
1.2.9 Hệ s số ố đị định nh hướ hướ ng ng và độ độ l lợ ợ i hướ hướ ng ng tính củ của anten 1.2.9.1 Hệ số số đị định nh hướ hướ ng ng Hệ số s ố định hướng ng củ của mộ một anten ký hiệ hiệu D(,) là tỷ tỷ số số giữ giữ a cườ cường ng độ b xạ củ của định hướ độ bứ ứ c xạ anten và cườ cường ng độ b xạ trung bình củ của anten đó: độ bứ ứ c xạ
,, ,,
U max
(1.45)
P R
P R O
U O ( , ) U a r
Hình 1.21 –Cườ –Cường ng độ b xạ củ của anten có hướ hướng ng và anten đẳng hướng ng cùng công độ bứ ứ c xạ đẳng hướ suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 27 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
cường ng độ b xạ trung bình Ua củ của anten, ta xét mộ một anten đẳng hướng ng có Để tính Để tính cườ độ bứ ứ c xạ đẳng hướ công suấ suấ t bằ b ằng công suấ suấ t củ c ủa anten đang xét và có cườ cường ng độ b x ạ bằ b ằng cườ c ường ng độ độ bứ ứ c xạ bứ c xạ xạ trung bình củ của anten đang xét. Ta có:
∯ ,, ΩΩ ∯ Ω ∯ Ω ∯ Ω ∯ Ω . 44 → ,, ,,
(O: Ommidirectional)
Mà PR = PRO nên:
Vì anten đẳng hướng ng có cườ cường ng độ b xạ là hằ h ằng số số ở mọ mọi hướ hướng ng và cườ cường ng độ b đẳng hướ độ bứ ứ c xạ độ bứ ứ c xạ trung bình Ua củ của anten đang xét cũ cũng không đổi đổi nên: (1.46)
Thế Thế (1.46) (1.46) vào (1.45):
(1.47)
1.2.9.2 Độ l Độ lợ ợ i hướ hướ ng ng tính Từ biể biểu thứ thứ c đã chứ chứ ng ng minh cho hệ hệ số số đị nh hướ hướng: ng: định
,, ,, ,,,,
Ta thấ thấ y D(,) chỉ chỉ phụ phụ thuộ thuộc vào ,. Độ l hướng ng tính D củ của mộ một anten đđịnh ngh ĩ a Độ lợ ợi hướ đđịnh ngh ĩ là độ định hướng ng củ của anten đó tạ tại vị vị trí bứ bứ c xạ xạ cự cự c đại suấ t bứ bứ c xạ xạ không đổi: định hướ đại khi công suấ đổi: D = max{D(,)} Hay:
,, ,, ,, ,,
(1.48)
(1.49)
là đại lượng ng không thứ thứ nguyên nguyên và thườ thường ng tính theo dB: đại lượ D [dB] = 10log10D
(1.50)
Ví dụ dụ 1.7: C 1.7: Cườ ng độ b xạ ở vùng xa củ của mộ một anten được bởi: U(,) = 5sin2 ường độ bứ ứ c xạ được cho bở
TRANG 28 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Tính hệ hệ số số đị nh hướ hướng ng củ của anten và độ l hướng ng tính. định độ lợ ợi hướ Giả Giải: Hệ số số đị nh hướ hướng ng củ của anten: định
,, ,, ,,,, . sin
hướng ng tính D: Độ l Độ lợ ợi hướ
D = max{D(,)} = 3/2 tạ tại = /2 Kế t luậ luận: Hệ số số đị nh hướ hướng ng được sử dụ dụng để đánh giá khả khả nă năng định hướng ng củ của mộ một anten có định được sử định hướ hướng (ngh ĩ a là anten đang xét) hay cườ cường ng độ b xạ củ của nó gấ gấ p bao nhiêu l ần v ới ướng (ngh ĩ độ bứ ứ c xạ ần so vớ cường x ạ củ c ủa mộ m ột anten đẳng h ướng ng có cùng công suấ suấ t bứ b ứ c xạ x ạ tạ t ại các hướ hướng ng ường độ b độ bứ ứ c xạ đẳng hướ khác nhau. Ngh ĩ Ngh ĩ a là khi công suấ suấ t bứ c xạ của hai anten này bằ bằng nhau thì tạ tại điểm quan sát, cườ cường ng độ bứ c xạ của anten có hướ hướng ng lớn hơn cường ường độ bứ c xạ của anten hướng ng bao nhiêu l ần. đẳng đẳng hướ ần.
1.2.10 Độ lợ i anten và công suấ suấ t bứ c xạ đẳng đẳng hướ ng ng tươ ng ng đươ ng ng (Antenna Gain & Equivalent Isotropically Radiated Power) 1.2.10.1 Độ l Độ lợ ợ i anten Một đại lượng ng rấ rấ t hữ hữ u ích khác có thể thể diễ diễn tả tả hoạ hoạt động của anten là độ l Mặc dù đại lượ động củ độ lợ ợi. Mặ c ủa anten có mố mố i quan hệ hệ vớ v ới hệ h ệ số s ố định h ướng, ng, như như ng ng nó là mộ một đại l ượng ng để độ l độ lợ ợi củ định hướ đại lượ tính toán hiệ hiệu suấ suấ t củ của anten và khả khả nă năng định hướng ng củ của anten. Trong khi đó, hệ hệ số số định hướ hướng ng chỉ chỉ mô tả tả được khả nă năng định hướng ng củ của anten. định định hướ được khả định hướ của anten theo mộ một hướ hướng ng nào đó được ngh ĩ a là tỷ tỷ số số giữ giữ a cườ cường ng độ b Độ l Độ lợ ợi củ được định định ngh ĩ độ bứ ứ c xạ theo hướ hướng ng đó vớ với cườ cường ng độ b xạ thu được nế u như như toàn toàn bộ bộ công suấ suấ t anten nhậ nhận độ bứ ứ c xạ được nế từ ngu ngu ồn bứ c xạ xạ mộ một cách đẳng hướng. ng. được được từ ồn được được bứ đẳng hướ
,, ,/,
U(,) là cườ cường ng độ b xạ theo hướ hướng ng xét độ l độ bứ ứ c xạ độ lợ ợi. PA là công suấ suấ t anten nhậ nhận được từ ngu ngu ồn. được từ ồn.
(1.51)
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 29 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
PA /4 là cường xạ củ của mộ một anten đẳng hướng ng (cườ (cường ng độ b xạ thu được nế u ường độ b độ bứ ứ c xạ đẳng hướ độ bứ ứ c xạ được nế như như công công suấ suấ t PA được bứ c xạ xạ ra ngoài không gian mộ một cách đẳng hướng). ng). được bứ đẳng hướ Vậy:
,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, :
Mà PR = e.PA và
(1.52)
cự c đại của độ l như độ lợ suấ t và ký hiệ hiệu bằ bằng G: Độ l Độ lớ ớn cự đại củ độ lợ ợi được được xem như độ l ợi công suấ (1.53)
Ta cũ cũng có : G = eD
+ Khi nói đế n D là nói đế n độ l tưởng ng không bị bị tổ t ổn hao và G là đã kể k ể đế n tổ t ổn độ lợ ợi lý tưở hao. +G, D là các đại lượng ng không thứ thứ nguyên. nguyên. đại lượ
1.2.10.2 EIRP (công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ đẳng đẳng hướ hướ ng ng tươ tươ ng ng đươ ng) ng) Công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ tươ tương ng đương hướng ng là công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ củ của mộ một anten đẳng đương đẳng đẳng hướ đẳng hướng cường ng độ b xạ bằ bằng cườ cường ng độ b xạ cự cự c đại của anten đang xét. ướng có cườ độ bứ ứ c xạ độ bứ ứ c xạ đại củ EIRP = AUmax = 4Umax Theo (1.53): 4Umax = GPA EIRP = GPA = eDPA = DPR
(1.54)
1.2.11 Mứ c các búp phụ phụ và tỷ tỷ lệ lệ trướ trướ c sau. 1.2.11.1
Mứ c bứ bứ c xạ xạ phụ phụ (SLL - Side Lobe Level)
Định Định ngh ĩ ngh ĩa: a: SLL là tỷ số số giữ giữ a cườ cường ng độ b xạ ở búp sóng phụ phụ lớ lớn nhấ nhấ t vớ với cườ cường ng độ bứ ứ c xạ xạ cự cự c đại của anten. độ b độ bứ ứ c xạ đại củ
,,,|,| ,, | ,, | SLL không có thứ thứ nguyên. nguyên.
SLL không phụ phụ thuộ thuộc vào công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ củ của anten.
(1.55)
TRANG 30 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
SLL có thể thể được được tính theo D,G.
Hình 1.22 –Mứ –Mứ c các bứ bứ c xạ xạ củ của anten có hướ hướng ng
1.2.11.2 Tỉ lệ lệ trướ trướ c sau (FBR: Front To Back Radio) Là tỷ tỷ số số giữ giữ a cườ cường ng độ b xạ ở hướ hướng ng bứ bứ c xạ xạ cự cự c đại cường ng độ b xạ ở hướ hướng ng độ bứ ứ c xạ đại và cườ độ bứ ứ c xạ xứ ng ng vớ với hướ hướng ng bứ bứ c xạ xạ cự cự c đại. đố i xứ đại.
,,|,,|
(1.56)
Mọi anten bứ bứ c xạ xạ đẳng hướng ng đều thường ng được dạng đẳng hướ đều có FBR=1. Thông tin thườ được truy ền ền ở dạ m-điểm nên ta luôn mong muố mu ố n thiế thiế t kế kế anten anten không chỉ chỉ có tính định hướng ng cao và điểm-đ định hướ hệ số số khuế khuế ch ch đại lớn mà còn mong muố mu ố n mứ mứ c các búp phụ phụ nhỏ nhỏ nhấ nhấ t có thể thể. đại lớ
1.2.12 Anten thu (Receiving antennas) Trong ph ầ ph ần n này, chúng ta sẽ sẽ nghiên cứ cứ u các anten hoạ hoạt động như các các anten thu. động như Giả Giả sử sử mộ một anten được bởi mộ một sóng phẳ phẳng đế n có góc tớ tới (,) và được được kích bở được đặc đặc tính bởi trườ trường ng điện
tạ tại đầu của anten thu. đầu vào củ
Giả Giả sử sử tả tải ZL = RL + jXL được nố i đế n anten thu. Vấ Vấ n đề đặt suấ t bao nhiêu được nố đặt ra là công suấ tải? được được đư a vào tả lời câu hỏ hỏi này, chúng ta xét mộ một mạ mạch điện tươ tương ng đương của anten thu. Sự Sự Để tr Để trảả lờ đương củ kích thích bằ bằng sóng mặ mặt tạ t ạo nên điện áp VC nố i tiế ti ế p với trở trở kháng anten ZA. V C phụ phụ
∗
thuộ thuộc vào biên độ, cự c củ của trườ trường ng đế n độ, phân cự
| |
Với đi ều kiện phố phố i hợ hợp trở trở kháng ( ều kiệ
và chi ều ều truy ền ền sóng.
), công suấ suấ t PC phân phố phố i cho ZL bằ bằng: (1.57)
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 31 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Khi đi ều kiện phố phố i hợp không thỏ thỏa, công suấ suấ t thự thự c tế được phố i cho tả tải nhỏ nhỏ ều kiệ được phân phố hơn PC và được được tính: PL = qrPC
(1.58)
qr: hệ hệ số số ghép ghép công suấ suấ t hay hệ hệ số số phố phố i hợ hợp trở trở kháng củ của anten thu và tả t ải.
Nế u tả tải thu ầ thu ần n trở trở (XL = 0):
|| 1 |Γ|
Γ
(1.59)
(1.60)
: hệ hệ số số phả phản xạ xạ
(1.61)
Anten thu
Tả i
Anten thu
T ải
Hình 1.23 – Sóng tớ tới và sơ sơ đồ t ng đương đồ tươ ương đương anten phía thu PC có thể thể được bằng tích số số giữ giữ a mậ mật độ công suấ t củ của sóng tớ tới Sinc vớ với diệ diện tích được tính bằ độ công suấ hiệ hiệu dụ dụng Aeff .
(1.62)
D ĩ nhiên nhiên cũ cũng giố giố ng ng như như trườ tr ường ng hợ h ợp ta giớ giới thiệ thiệu V C; A eff phụ ph ụ thuộ thu ộc vào chi ều ều đế n (,) và sự sự phân phân cự cự c của sóng tớ tới. Vấ n đề đặt tính như như thế thế nào? nào? đặt ra là chúng ta A eff tính
TRANG 32 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Phương Phươ ng trình (1.62) có sự sự diễ di ễn dị d ịch đơn gi ản v ề v ề m mặặt vậ v ật lý rằ rằng vớ v ới mộ m ột sóng phẳ phẳng đơn giả tới có phân cự cự c tác động h ướng ng (,) thì anten sẽ sẽ được động lên anten thu có hướ được kích thích và
nhậ nhận tấ t ấ t cả c ả công suấ suấ t được bởi sóng tớ tới trên diệ diện tích hiệ hiệu dụ d ụng A eff tính tính bằ bằng được mang bở m2 như như sau: sau:
=
,,,
(1.63)
c/f [m]: bướ bướcc sóng củ của sóng tớ tới.
Gr(,): độ l của anten thu. độ lợ ợi củ
,, ,,
: hệ h ệ số s ố tổ t ổn hao do mấ mấ t phố ph ố i hợ h ợp phân cự cự c giữ gi ữ a sóng tớ tới vớ v ới anten
thu (Pole Loss Factor). : vector phân cự cự c củ của anten thu.
: vector phân cự cự c củ của sóng tớ tới.
Hình 1.24 – Diệ Diện tích hiệ hiệu dụ dụng củ của mộ một anten Từ đ suấ t cung cấ cấ p cho tả tải: ừ đó ta suy ra công suấ
,, ..
(1.64)
,,
(1.65)
Khi phố phố i hợ hợp trở trở kháng giữ giữ a tả tải và anten (qr = 1) và phố phố i hợ hợp phân cự cự c giữ giữ a anten thu và sóng tớ tới (PLF=1), công suấ suấ t tả tải nhậ nhận được cự c đại: được là cự đại:
Ví dụ dụ 1.8: Xét 1.8: Xét mộ một anten mà khi sử sử dụ dụng như như anten anten phát ở t ầ t ần n số số f=300 f=300 MHz bứ bứ c xạ trườ trường ng điện ở vùng xa vớ với biên độ trườ trường ng điện chuẩ chuẩn hóa:
,,
và có
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 33 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
/√ 2 /√ 2
vector phân cự cự c
, hiệ hiệu suấ suấ t củ của anten là 2/3. Và anten đó cũ cũng sử sử dụ dụng làm anten
thu được phố i hợp trở trở kháng. Tính công suấ suấ t cung cấ cấ p cho tả tải đố i với được nố i đế n tải có phố nhữ nhữ ng ng sóng phẳ phẳng tớ tới sau. a) b) c) d)
(lan truy ề truy ền n theo trụ trục x, có phươ phương ng theo +y)
Giả Giải:
4 ,, ..
Có phố phố i hợ hợp trở trở kháng: qr = 1 f = 300 MHz = c/f = 1m
,, ,, , ,sin ,, ,, ,, ,, sin
G(,) = eD(,) = sin2 a)
Tại hệ hệ trụ trục tọ tọa độ đặt tới lan truy ề truy ền n theo phươ phương ng (+x) nên: = /2, đặt anten thu, sóng tớ = .
của anten thu tạ t ại hướ hướng ng sóng tớ tới: G(,) = sin2 = 1 Độ l Độ lợ ợi củ Vector phân cự cự c củ của anten thu tạ tại hướ hướng ng sóng tớ tới:
,, 1 ,, .. 1.1. 1.1. 0,11
Vector phân cự cự c củ của sóng tớ tới: Suy ra : Vậy: b)
TRANG 34 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Tương tự câu câu a: = /2, = ương tự
,, 0 ,, .. 0 /√ 2 /√ 2 ,, 12 1 4 ,, .. 1. 4 1.1. 12 . 2401 19201 0,05 /√ 2
G(,) = sin2 = 1,
,
Suy ra : Vậy: c)
: sóng phân cự cự c tròn lan truy ề truy ền n theo trụ trục +x.
Tương tự câu câu a: = /2, = ương tự G(,) = sin2 = 1,
,
Suy ra:
d)
Phương Phươ ng truy ề truy ền n sóng tớ tới : = /4, = G(,) = sin2 = 1/2 z
y
x
Hình 1.25 – Hướ Hướng ng truy ền ền sóng +x-z Vector phân cự cự c củ của anten thu tạ tại hướ hướng ng sóng tớ tới: Vector phân cự cự c củ của sóng tớ t ới
/√ 2
/√ 2
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 35 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
,, 1 4 ,, .. 1.1. 41 1.1. 12 . 2401 19201 0,05
Suy ra :
1.2.13 Các tuyế tuyế n anten (antenna links) Anten phát
Anten thu
Nguồn
Tải
Hình 1.26 –Tuyế –Tuyế n anten phát và thu. Xét mộ một anten phát được cấ p tín hiệ hiệu bở bởi ngu ồn trở kháng nộ nội ZS. Trở Tr ở kháng được cấ ồn VS có trở của anten phát được hiệu là ZA,t. Mộ Một bộ bộ thu định vị tạ tại chi ều với bộ bộ phát. được ký hiệ định vị ều (t,t) so vớ Anten thu có trở trở kháng vào ZA,r và được kế t thúc bằ bằng tả tải ZL. Bộ Bộ phát và thu cách nhau được kế một khoả khoảng r và trườ trường ng máy phát tác động bộ thu từ từ chi chi ều động lên bộ ều (r,r). Công suấ suấ t mà anten thu cấ cấ p cho tả tải ZL: PL = qrPC Mặt khác: PC = Aeff.rSinc
Aeff.r: là diệ diện tích hiệ hiệu dụ dụng củ của bộ bộ thu đố i vớ với các sóng tớ tới phân cự cự c tác dụ dụng theo chi ều ều (r,r).
Sinc: là mậ mật độ công suấ t củ của trườ trường ng được bứ c xạ xạ bở bởi bộ bộ phát và được tại bộ bộ thu độ công suấ được bứ được đo tạ cách bộ bộ phát r.
Mà
21 || ,
, ,
Suy ra:
là cườ cường ng độ b xạ trườ trường ng do anten phát. độ bứ ứ c xạ
4,2
(1.66)
TRANG 36 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
rằng mậ mật độ công suấ t củ của trườ trường ng được bứ c xạ xạ bở bởi bộ bộ phát được tại Đi ều ều này nói rằ độ công suấ được bứ được đo tạ bộ thu, bằ bằng mậ m ật độ công suấ t gây ra từ từ bộ b ộ phát công suấ suấ t vô hướ hướng ng nhân vớ với độ l độ công suấ độ lợ ợi của bộ bộ phát theo chi ều bộ thu. ều bộ Từ đ kế t hợ hợp được: ừ đó ta kế được:
. , , , ,
(1.67)
là công thứ thứ c dạ dạng thông dụ dụng để đặc trư ng ng cho các tuyế tuyế n truy ền dẫn anten. đặc trư ền dẫ Một công dụ dụng khác khi ta thay: PL = qrPC và PA = qtPS. Lúc đó:
Và:
, , , , ,, ,, , , , ,
(1.68)
(1.69)
Ý ngh ĩ a các hệ hệ số số :
etqt: hệ hệ số số mấ mấ t mát củ của bộ bộ phát.
erqr: hệ hệ số số mấ mấ t mát củ của bộ bộ thu.
, ,
: hệ hệ số số mấ mấ t mát do phố phố i hợ hợp phân cự cự c củ của tuyế tuyế n anten.
số mấ mấ t mát không gian. : là hệhệ số
Với thuậ thuật ngữ ngữ này này công suấ suấ t thu được bằng công suấ suấ t khả khả dụ dụng tạ tại bộ bộ phát PS nhân được bằ với các hệ hệ số số mấ mấ t mát (không gian tự tự do, do, bộ bộ phát, bộ bộ thu, mấ mấ t phố phố i hợ hợp phân cự cự c) c) và với độ định tuyế n. n. Thông thườ thường ng được được nhân vớ định hướng ướng của cả hai anten theo chi ều ều của tuyế quan hệ hệ tuyế tuyế n anten trên được bằng Decibel. được tính bằ
,,,32,, 44 20 20 20
(1.70)
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 37 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
TÓM TẮ TẮT Trong bài này, ngườ i học tìm hi ể bản v ề anten, bao gồm hình ểu đượ c các khái ni ệm c ơ ơ b d ạng một số anten anten c ũng như l l ch sử phát phát tri ể ị ch ển c ủa anten. Phần k ế kháng ngõ vào, hi ệu suấ t anten, ế ti ế ế p gi ớ ới thi ệu v ề các đặc tính c ủa anten: tr ở ở kháng tr ườ ng đ i iệ n và tr ườ ng t ừ do anten bứ c x ạ , công suấ t tr ườ ng đ i iệ n t ừ do anten t ạo ra. ườ ng ườ ng ừ do ườ ng ừ do Ngoài ra, bài này c ũng gi ớ phân c ự bứ c x ạ c ủa anten. Đây là ớ i thi ệu v ề sự phân ực và đồ th ị b
ớn c ườ ườ ng ị trí các đặc tính cho phép xác đị nh nh độ l ớ ng độ bứ c x ạ t ại các v trí trong không gian.
TRANG 38 > ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
CÂU HỎ HỎI ÔN TẬ TẬP Câu 1: Một anten có trở trở kháng vào là ZA = 250 + j50 trong đó điện trở trở tổ tổn hao là RD = 8 được nố i vớ với mộ một máy phát có VS = 10V và RS = 10 được nố a. Vẽ sơ sơ đồ t ng đương của hệ hệ thố thố ng ng đồ tươ ương đương củ b. Tính công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ, tổ tổn hao, tiêu thụ thụ và hiệ hiệu suấ suấ t củ của anten Câu 2: Một anten có trở tr ở kháng vào ZA = 100 + j75 vớ với điện trở trở tổ tổn hao RD = 10
cấ p bằ bằng ngu ồ ngu ồn n VS và trở trở kháng ngu ồn được được cung cấ ồn ZS. a. Xác định số ngu ồn kiện phố phố i hợp trở trở kháng và công suấ suấ t định các thông số ồn trong đi ều ều kiệ anten là 30 mW. b. Vẽ sơ đồ tương suấ t bứ c xạ, công suấ suấ t tổn hao, hiệ hiệu suấ suấ t ương đương đương và tính công suấ anten. Câu 3: Trườ Trường ng điện từ t ừ vùng vùng xa bứ bứ c xạ x ạ bở b ởi anten cho bở bởi hàm phươ phương ng hướ hướng ng sau:
,,
Giả sử s ử hiệ hi ệu suấ su ấ t củ c ủa anten là 40% và dòng điện vào anten là 0,5A. . Giả
Tính:
a. Vetor mậ mật độ công suấ t bứ bứ c xạ xạ độ công suấ b. Mật độ công suấ t bứ bứ c xạ xạ độ công suấ c. Cường xạ ường độ b độ bứ ứ c xạ d. Tổng công suấ suấ t được bứ c xạ xạ bở bởi anten được bứ e. Điện trở trở bứ bứ c xạ xạ củ của anten f. Điện trở trở tổ tổn hao củ của anten g. Điện trở trở ngõ vào củ của anten h. Tổng công suấ suấ t PA mà anten nhậ nhận từ từ ngu ngu ồn ồn
Câu 4: Trườ Trường ng điện vùng xa bứ bứ c xạ xạ bở bởi anten cho bở bởi: F(, ) = 2sin +3cos , giả giả sử hiệ hiệu suấ suấ t anten e = 70% và dòng tạ tại ngõ vào anten là 0,5A. Tính: a. Vector mậ mật độ công suấ t bứ bứ c xạ xạ độ công suấ b. Mậ Mật độ công suấ t bứ bứ c xạ xạ độ công suấ c. Cườ Cường ng độ b xạ độ bứ ứ c xạ
BÀI 1: TỔ TỔNG QUAN V Ề V Ề ANTEN ANTEN > TRANG 39 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
d. Tổ Tổng công suấ suấ t được bứ c xạ xạ bở bởi anten được bứ e. Điện trở trở bứ bứ c xạ xạ củ của anten f. Điện trở trở tổ tổn hao củ của anten g. Điện trở trở ngõ vào củ của anten h. Tổ Tổng công suấ suấ t PA mà anten nhậ nhận từ từ ngu ngu ồn ồn Câu 5: Cường trường ng vùng xa được bứ c xạ xạ bở bởi anten cho như như sau: sau: ường độ điện trườ được bứ
sin .
Cho biế biế t đặc cự c củ của anten ở hướ hướng ng +x; hướ hướng ng +y đặc tính phân cự
Câu 6: Xét mộ một anten sử sử dụ dụng như như anten anten phát ở t ần số f=3GHz f=3GHz bứ bứ c xạ xạ trườ trường ng điện ần số
với biên độ chu độ chuẩẩn hóa:
,,
cự c và có vector phân cự
; hiệ hiệu suấ suấ t anten
là 70% và nế nế u anten được phố i hợp trở trở được sử dụng làm anten thu được được nố i đế n tải có phố kháng. Tính công suấ suấ t cung cấ cấ p cho tả tải đố i vớ với nhữ nhữ ng ng sóng phẳ phẳng tớ tới: a. b.
Câu 7: HPBW là: A. Góc 1 /2
B. Góc giữ giữ a hướ hướng ng 1/2 và m
C. Góc giữ giữ a 2 hướ hướng ng 1/2
D. Khác
Câu 8: FNBW 8: FNBW là: A. Góc 0
B. Góc giữ giữ a hướ hướng ng 0 và m
C. Góc giữ giữ a hướ hướng ng 1/2 và 0
D. Khác
Câu 9: Diệ Diện tích hiệ hiệu dụ dụng củ của anten thu phụ phụ thuộ thuộc vào: A. Công suấ suấ t phát
B. Độ l cường ng độ điện trườ trường ng tạ tại anten thu Độ lớ ớn cườ
C. Hướ Hướng ng củ của vector cườ cường ng độ điện trườ trường ng tạ tại anten thu
D. Khác
Câu 10: Diệ Diện tích hiệ hiệu dụ dụng củ của anten thu phụ phụ thuộ thuộc vào: A. Công suấ suấ t phát
B. Độ l cường ng độ điện trườ trường ng tạ tại anten thu Độ lớ ớn cườ
C. Khoả Khoảng cách giữ giữ a anten phát và anten thu
D. Phân cự c củ của anten thu
TRANG 40| 40| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN Sau khi họ học xong bài này, ngườ ngườii họ học có thể thể:
Cách xác đị nh nh tr ườ ườ ng ng đ i iệ n t ừ ừ b bứ c x ạ c ủa một anten.
Bi ế ết đượ c tr ườ ườ ng ng đ i i ện t ừ ừ b bứ c x ạ c ủa một số anten anten c ơ ơ b bản.
2.1 Trườ Trườ ng ng do dòng điện bứ bứ c xạ xạ. Ở bài bài 1, ta mô tả tả anten thu và phát từ từ quan quan điểm hiệ hi ện tượ t ượng. ng. Bài này chúng ta sẽ sẽ phân tích chặ chặt chẽ chẽ hơ hơn các trườ trường ng điện từ từ bứ bứ c xạ xạ bở bởi anten và bắ bắt đầu đầu bằ bằng các phươ phương ng trình Maxwell. Bắt đầu đầu từ từ việ việc xem xét dòng phân bố bố trên trên các anten, cụ cụ thể thể là anten dipole vì loạ loại này dùng khá phổ phổ biế biế n, n, có thể thể dùng độc độc lậ lập hoặ hoặc có thể thể ghép để k để kế ế t cấ cấ u thành hệ hệ thố thố ng ng bứ c xạ xạ phứ phứ c tạ tạp. Phươ Phương ng pháp g ầ g ần n đúng để xác để xác định định phân bố bố dòng dòng trên dipole dự dự a trên sự suy suy luậ luận tươ t ương ng tự t ự giữ gi ữ a dipole vớ với đường đường dây song hành ở mạ m ạch đầu đầu cuố cu ố i không tổ tổn hao.
I ( z )
Hình 2.1 - Đường Đường dây song hành và anten dây. Từ đường đường dây song hành có thể thể biế bi ế n dạ d ạng thành anten dây đố i xứ x ứ ng ng bằ b ằng cách mở mở rộng đầu đầu cuố cuố i củ của đường đường dây đế n khi góc mở mở nử nử a nhánh là 1800. Nế Nế u giả giả sử sử rằ rằng dòng I(z) chả chảy trong các ph ầ ph ần n dọc của dây là giố giố ng ng như như ph ần ần thườ thường ng trú trên đường đường dây truy ền ền sóng nguyên thủ th ủy (lúc chư chư a bẻ bẻ), ta có thể thể viế viế t: t:
/2 || á/2 Iz sin|0| /2
: hệ hệ số số truy ề truy ền n sóng.
(2.1)
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN > TRANG 41 ANTEN - TRUYỀ TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO TẦ TẦN
I0: biên độ dòng độ dòng điện đầu đầu vào.
Hình 2.2 - Phân bố bố dòng dòng dọ dọc theo chi ều ều dài anten dây tuyế tuyế n tính Dòng phân bố bố trên trên anten vớ với các chi ều ều dài khác nhau và dòng điện trên anten sẽ sẽ bứ bứ c xạ ra trườ trường ng điện từ từ khác khác nhau. Để đánh giá trườ trường ng bứ bứ c xạ xạ này ta xem xét mố mố i quan hệ hệ ngu ồ ngu ồn-tr n-trườ ường ng bắ bắt đầu đầu từ từ các các phươ phương ng trình Maxwell.
2.2 Các phươ phươ ng ng trình Maxwell và các quan hệ hệ ngu ồ ngu ồn-tr n-trườ ườ ng. ng.
0
: vector điện cả cảm (C/m2) (Mậ (Mật độ thông độ thông lượ lượng ng điện).
: vector từ từ cả cảm (Wb = T/m2) (Mậ (Mật độ thông độ thông lượ lượng ng từ từ ). ).
(2.2)
TRANG 42| 42| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
: : mậ mật độ dòng độ dòng điện dẫ dẫn (A/m2) : : mậ mật độ điện tích khố khố i (C/m3)
Với môi trườ trường ng đẳng đẳng hướ hướng ng tuyế tuyế n tính:
:
Độ th Độ thẩẩm từ từ (H/m) (H/m)
:
Độ th Độ thẩẩm điện (F/m)
(2.3)
Trong không gian tự tự do: do:
4..1.0 // 0/
(2.4)
Từ (2.2) (2.2) và (2.3) suy ra:
(2.5)
Gọi là là thế thế vector, vector, trong giả giải tích vector, các phép toán trong hệ h ệ tọ t ọa độ Descartes độ Descartes được được được được biể biểu diễ diễn dướ dướii dạ dạng toán tử tử như như sau: sau:
Trong đó:
Thế Thế vào vào (2.5):
0
là toán tử tử Nabla. Nabla.
0 /
(2.6)
(2.7)
(2.8)
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN > TRANG 43
0 0 ∆ ANTEN - TRUYỀ TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO TẦ TẦN
Giả Giải trự trự c tiế tiế p hệ phươ phương ng trình trên tìm
và
theo theo đại đại lượng ượng
là rấ t khó
khă khăn và phứ phứ c tạ tạp. Ngườ Ngườii ta dùng đế n vector trung gian và và tìm vector đó theo đại đại lượ lượng ng . Sau đó biể biểu diễ diễn
Vì
và và
thông thông qua . nên ta đặt đặt
và
. Thay vào
(2.8), rút gọ gọn ta có phươ phương ng trình sóng:
(2.9)
Trong đó:
:
toán tử tử Laplace. Laplace.
Nhắ Nhắc lạ lại:
(2.10)
Giả Giải phươ phương ng trình sóng (2.9) ta được được :
41 ∰ ′ | | || |
(2.11)
Tích phân trên được được lấ lấ y trên toàn bộ bộ không gian V có chứ chứ a mậ mật độ dòng độ dòng điện : biể biểu thị thị sự sự chậ chậm pha củ của vector
′
ở khoả khoảng cách R so vớ với ngu ồ ngu ồn. n.
k là hệ hệ số số pha, pha, vớ với môi trườ trường ng chân không, k = 2 /. Có được được
, ta suy ra
và và
như như sau: sau:
Theo (2.8), khi xét không gian không có ngu ồ ngu ồn, n, tứ tứ c là ở vị vị trí r mà
0
(2.12) : (2.13)
Suy ra:
(2.14)
.
TRANG 44| 44| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
A(r ) '
r r
M
R
'
J ( r )
r
r '
Hình 2.3 - Thế Thế vector vector được được tạ tạo bở bởi ngu ồn ồn phân bố bố trong trong thể thể tích V Nế u dòng điện phân bố bố trên trên mặ mặt S thì ta có:
41 ∯ ′ | | 41 ∮ ′ | |
(2.15)
Nế u dòng điện được được phân bố bố trên trên đường đường cong L:
(2.16)
2.3 Trườ Trườ ng ng điện từ ở vùng xa đượ c tạo bở i ngu ồ ngu ồn n bấ bấ t kỳ kỳ Xét mộ một khố khố i thể thể tích V bấ bấ t kkỳỳ có phân bố bố dòng dòng
vớ với r là khoả khoảng cách từ từ gố gố c tọ tọa
độ đế n ngu ồ ngu ồn. n. Ta khả khảo sát trườ trường ng do V gây ra tạ tại M ở rấ rấ t xa so vớ với ngu ồ ngu ồn. n. Ngh ĩ Ngh ĩ a là vớ với
đã biế biế t chúng ta c ầ c ần n tìm
và và
.
M
'
A( r )
r r
R
' J ( r )
r
'
r
i . r
r
r
' '
r
i . r
Hình 2.4 - Trườ Trường ng điện từ từ ở ở vùng xa được được tạ tạo bở bởi ngu ồn ồn bấ bấ t kỳ kỳ Thế Thế vector: vector:
41 ∰ ′ | |
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN > TRANG 45 ANTEN - TRUYỀ TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO TẦ TẦN
Xét trườ trường ng ở vùng xa; r rấ rấ t lớ lớn so vớ với r’ (r >> r’); r >> 1; 1; r >> D (D: khoả khoảng cách lớn nhấ nh ấ t giữ gi ữ a 2 điểm bấ b ấ t kkỳỳ trên V), r >> D2 /. Ta có thể thể xấ x ấ p xỉ x ỉ các giá trị trị tính toán như như sau: sau:
′′ ′′ . . 41 ∰ ′ 41 ∰ ′ . → 2 √ 2/ Ở mẫ mẫu số số : Ở mũ mũ số số :
Lúc này thế thế vector vector
được được viế viế t lạ lại:
Từ (2.14): (2.14):
. Ở vùng vùng xa theo lý thuyế thuyế t sóng phẳ phẳng, ta xấ xấ p xỉ
nên:
(2.17)
Mà:
Trong hệ hệ tọ tọa độ c độ cự ự c: c:
(2.18)
:
(2.19)
:
Thay
(2.20)
được được tìm từ từ cườ cường ng độ điện trườ trường ng theo biể biểu thứ thứ c: c:
(2.21)
2.4 Dipole Hertz 2.4.1 Định Định ngh ĩ ngh ĩa a
Dipole Hertz là ph ầ ph ần n tử tử dẫ dẫn điện rấ rấ t mả mảnh có bán kính a << và L << , trên đó có dòng điện mà biên độ và độ và pha ở mọ mọi điểm là như như nhau nhau I=I0. Giả Giả sử dipole dipole Hertz được được đặt đặt tạ t ại gố c tọ t ọa độ và độ và dòng chả chảy theo phươ phương ng trụ trục z trong không gian đồng đồng nhấ nhấ t rộ rộng vô hạ hạn. Bây giờ giờ chúng ta xét trườ trường ng ở vùng xa do anten gây ra tạ tại điểm M.
TRANG 46| 46| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
I 0
Hình 2.5 - Phân bố bố dòng dòng trên dipole Hertz
0
2.4.2 Tính
và
Dòng kích thích có phươ ph ương ng trình thế thế vectơ vectơ
. Vì dòng phân bố bố trên trên đường đường cong L nên
được được tính là:
41 ∮ | | 41 ∮ | |
(2.22)
M ( r , , ) '
r
r
r
'
r
Hình 2.6 - Trườ Trường ng bứ bứ c xạ xạ bở bởi dipole Hertz
′ ′ . 41 ∮
Ở mẫ mẫu số số : Ở mũ mũ số số :
Thay dl=dz:
Do k.z=2 /.z và z << nênkz 0. Suy ra :
(2.23)
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN > TRANG 47 ANTEN - TRUYỀ TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO TẦ TẦN
41 // 41
0 0 41 0 0 0 0
Chuyể Chuyển
(2.24)
v v ề h ề hệệ tọ tọa độ c độ c ầ ầu: u:
(2.25)
Từ đ ừ đó ta tìm được: được:
(2.26)
Theo (2.20), (2.21):
(2.27) (2.28)
Trườ Trường ng bứ c xạ của Dipole Hertz là trườ trường ng phân cự cự c thẳ thẳng. Vớ Với anten được được xét dọ dọc theo trụ trục z, điện trườ trường ng chỉ chỉ có 1 thành ph ầ ph ần n Eθ và từ từ trườ trường ng chỉ chỉ có 1 thành ph ầ ph ần n H.
2.4.3 Các đặc đặc tính bứ bứ c xạ xạ củ của dipole Hertz
0 ,, ,, 4 0 ,, ,, ,, sin2
Cường ường độ tr độ trườ ường ng điện: Suy ra:
a. Đồ th Đồ thịị bứ bứ c xạ xạ
Hình 2.7 – Đồ th Đồ thịị bứ bứ c xạ xạ củ của dipole Hertz
(2.29)
(2.30)
TRANG 48| 48| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
b. Vector mậ mật độ độ công công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ.
|,, | ,,
(2.31)
c. Cườ Cườ ng ng độ độ b bứ ứ c xạ xạ
,, ,, , ,, ,, 80
(2.32) (2.33)
d. Công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ:
(2.34)
Suy ra hệ hệ số số đị định nh hướ hướng: ng:
(2.35)
e. Điện trở trở bứ bứ c xạ xạ
(2.36)
Trong đó: k = 2 / và Z = 120 () trong không gian tự tự do. do.
f. Điện trở trở tổ tổn hao. Gọi bán kính dây anten dipole là a; độ d độ dẫẫn điện riêng là thì điện trở trở b ề b ề m mặặt dây:
//
(2.37)
Trở Trở kháng dây trên đơn đơn vị vị dài:
Công suấ suấ t tiêu hao:
(2.38)
(2.39)
Từ đ ừ đó suy ra điện trở trở tổ tổn hao:
(2.40)
g. Hiệ Hiệu suấ suấ t
(2.41)
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN > TRANG 49 ANTEN - TRUYỀ TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO TẦ TẦN
Ví dụ dụ 2.1: M 2.1: Mộ ột dipole Hertz có chi ều ều dài L = 0,1m làm bằ bằng đồng đồng có độ d độ dẫẫn điện = 5,8x107 S/m, bán kính a = 1cm được được kích thích bằ b ằng dòng I0 = 1A tạ tại t ần ần số số 3 3 MHz. Tính điện trở trở bứ bứ c xạ xạ, điện trở trở tiêu tán và hiệ hiệu suấ suấ t anten. Giả Giải:
....,... 4,52.10 .,., 0,1 7,192.10 80 80 .,/. 7,896.10 52,33% 2.5 Lưỡ ng ng cự cự c ngắ ngắn (Short Dipole) 2.5.1 Định Định ngh ĩ ngh ĩa a Anten lưỡ lưỡng ng cự cự c ngắ ngắn là anten có chi ều ều dài L<< vớ với dòng phân bố bố có có dạ dạng:
1 || , || /2
(2.42)
Xét anten đặt đặt tạ tại gố gố c tọ tọa độ d độ dọ ọc trụ trục z. Tươ Tương ng tự tự như như dipole dipole Hertz, chúng ta khả khảo sát trườ trường ng ở vùng xa do anten gây ra tạ tại M.
I 0
Hình 2.8 –Phân bố bố dòng dòng trên short dipole
2.5.2 Tính
và
Giố Giố ng ng như như dipole dipole Hertz, thế thế vector vector được được tính như như sau: sau:
Mà:
41 // . . .
(2.43)
TRANG 50| 50| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
. → 1 41 // 0 1 2|| 41 0 0 41 02 02 ,, ,,
Do |z| L/2 và L << : |z| <<
Hay:
Suy ra :
a.
b. c. d.
(2.44)
(2.45)
(2.46) (2.47) (2.48)
Mật độ độ công công suấ suấ t và cườ cườ ng ng độ độ b bứ ứ c xạ xạ.
(2.49) (2.50)
Công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ.
(2.51)
Điện trở trở bứ bứ c xạ xạ
(2.52)
Điện trở trở tổ tổn hao
//
(2.53) (2.54)
a: bán kính dây anten
e.
Đồ th Đồ thịị bứ bứ c xạ xạ
Giố Giố ng ng dipole Hertz.
2.6 Lưỡ ng ng cự cự c có tả tải kháng Với sự sự phân phân bố bố dòng dòng trên dipole ngắ ngắn (lưỡ (lưỡng ng cự cự c ngắ ngắn) thì
trong khi
đó dòng trên lưỡ lưỡng ng cự cự c ngắ ngắn lạ lại nhỏ nhỏ hơ hơn. Do vậ vậy, để t để tăăng điện trở trở bứ bứ c xạ xạ, trong thự thự c tế tế cấ u trúc củ của nó c ần ần phả phải được được cả cải tiế tiế n để mang để mang phân bố bố dòng dòng điện càng giố giố ng ng như như phân phân
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN > TRANG 51 ANTEN - TRUYỀ TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO TẦ TẦN
bố dipole dipole Hertz càng tố tố t. t. Đi ều ều này có thể thể đạt đạt được được bằ bằng các tả tải cả cảm hoặ hoặc dung hoặ hoặc kế kế t hợp cả cả hai kỹ kỹ thuậ thuật. Tải cả cảm sẽ sẽ được được tạ tạo ra dòng hằ hằng số số cho cho đế n vị vị trí tả tải cả cảm và giả giảm d ần ần tuyế tuyế n tính từ từ tải cả cảm đế n đầu đầu cuố cuố i củ của dipole.
I 0
Hình 2.9 – Phân bố bố dòng dòng trên trên anten có tả t ải cả cảm Tải dung sẽ sẽ tạ tạo ra dòng có dạ dạng tam giác và không bằ bằng không tạ tại các đầu đầu cuố cuố i củ của dipole.
Hình 2.10 – Phân bố bố dòng dòng trên trên anten có tả t ải dung L / 2 L 2
I 0 I 0
0 L
2 L / 2
I 0
Hình 2.11 – Anten có phân bố bố dòng dòng tả tải kháng Xét anten có phân bố bố dòng dòng như như Hình Hình 2.11.
2.6.1 Phân bố bố dòng dòng phụ phụ thuộ thuộc vào ( , )
|| || /2 1 0 ||| /2 |á| /2
(2.55)
TRANG 52| 52| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
2.6.2 Tính
Suy ra:
1 / 4 / 1 và
4 2 0 041 12 0 2 0 2 0 2 2 ,, 2 2 ,, 2 2 2 2 ,, ô đổ
(2.56) (2.57) (2.58) (2.59) (2.60)
(2.61) (2.62) (2.63) (2.64) (2.65)
2.7 Lưỡ ng ng cự cự c có chi ều ều dài hữ hữ u hạ hạn 2.7.1 Định Định ngh ĩ ngh ĩa a Là lưỡ lưỡng ng cự cự c có chi ều ều dài L có thể thể so sánh vớ với bướ bướcc sóng và có phân bố bố dòng dòng trên anten như như sau: sau:
2.7.2 Tính
|| , || /2 1/ || 4 / 0 2 41 0 2 cos2 2cos 2
(2.66)
và
(2.67)
Chú ý: kzcos không thể thể 0 do L có thể thể so sánh vớ với .
(2.68) (2.69)
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN > TRANG 53 ANTEN - TRUYỀ TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO TẦ TẦN
M ( r , , ) '
r
r
r
'
r
Hình 2.12 – Lưỡ Lưỡng ng cự cự c có chi ều ều dài hữ hữ u hạ hạn Nhậ Nhận xét:
0 . 2 2 cos c os cos 2 2 2 2 ,, 0 2
Chúng ta thấ thấ y rằ rằng
g ồ g ồm m có hai thành ph ầ ph ần: n:
Thành ph ầ ph ần n thứ thứ nhấ nhấ t: t: Thành ph ầ ph ần n thứ thứ hai: hai:
(2.70)
Cường ường độ b độ bứ ứ c xạ xạ:
(2.71)
2.7.3 Xét anten có chi ề chi ều u dài L = /2 (anten nử a sóng)
Hình 2.13 – Anten nử n ử a sóng Dòng cấ cấ p cho anten có phân bố b ố :
Và cườ cường ng độ tr độ trườ ường ng điện:
coscos
(2.72)
TRANG 54| 54| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
cos 0 2 2 cos c os 2 2 ,, 0 82 ∬Ω ,, ΩΩ 7,658120 82 , , ,, , ,, 1,6432 /2 ,, 0 82 220 7,6581 822 73 Ω
73 42,2,5 ΩΩ 73
(2.73) (2.74) (2.75) (2.76) (2.77) (2.78) (2.79) (2.80)
Hình 2.14 – Góc khố khố i củ của chùm tia bứ bứ c xạ xạ anten nử nử a sóng
2.8 Các ngu ồ ngu ồn n anten dây (bứ (bứ c xạ xạ thẳ thẳng) 2.8.1 Định Định ngh ĩ ngh ĩa a Là ngu ồ ngu ồn n có chi ều ều dài L và phân bố bố dòng dòng như như sau: sau:
k0: hằ hằng số số bấ bấ t kkỳỳ.
là pha củ của dòng cấ cấ p cho anten.
Biên độ c độ củ ủa dòng là I0 = const. Pha thay đổi đổi theo chi ều ều dài anten.
(2.81)
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN > TRANG 55
/
ANTEN - TRUYỀ TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO TẦ TẦN
2.8.2 Tính
và
/ // //
(2.82) (2.83)
Tính tích phân ta được: được:
Trong đó:
Suy ra:
Ψ kcosθk ,, ,,
(2.84)
(2.85)
(2.86)
(2.87)
2.8.3 Các đặc đặc trư trư ng ng bứ bứ c xạ xạ
Nhậ Nhận xét:
(2.88) (2.89)
+ Khi L tă tăng HPBW giả giảm (do số số búp búp phụ phụ tă tăng). + Khi k0 thay đổi đổi thì hướ hướng ng bứ bứ c xạ xạ cự cự c đại đại cũ cũng thay đổi đổi theo. + Khi k0 = 0:
,
.
2.9 Anten vòng tròn kích thướ thướ c bé. 2.9.1 Định Định ngh ĩ ngh ĩa a Là mộ m ột vòng dây dẫ dẫn có bán kính a << ; trên đó có phân bố bố dòng dòng dòng chạ chạy ngượ ngượcc kim đồng đồng h ồ. ồ.
2.9.2 Tính
và
∮
||
. Giả Giả sử
(2.90)
TRANG 56| 56| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
Ta có:
′ || 2|| 11
(2.91)
Tính tích phân trên toàn vòng dây ta được: được:
(2.92)
'
r
' '
r
r
r
dl
' r
a I 0
Hình 2.15 – Anten vòng dây tròn Khi r đủ l đủ lớ ớn: 1/jkr 0 nên:
,, sin ,, ,, 1010 31200
(2.93) (2.94) (2.95) (2.96)
2.9.3 Đặc Đặc trư trư ng ng bứ bứ c xạ xạ
(2.97) (2.98) (2.99) (2.100) (2.101)
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN > TRANG 57 ANTEN - TRUYỀ TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO TẦ TẦN
2.10 Các mặ mặt phẳ phẳng đấ t và các đơ n cự c (ground planes and monopoles) 2.10.1 Đặt Đặt vấ vấ n đề Ở các các ph ầ ph ần n trướ trướcc chúng ta chỉ chỉ xem xét trườ trường ng bứ bứ c xạ xạ củ của anten trong không gian tự tự do mà không quan tâm đế n vị vị trí anten. Trong thự thự c tế tế , anten được được đặt đặt trên mặt phẳ phẳng dẫn điện như như trên trên mặ mặt đấ t. t. Trườ Trường ng bứ c xạ được được tạo bởi anten đế n mặt phẳ phẳng đấ t và phả phản xạ xạ lạ lại trong nử nử a mặ mặt phẳ phẳng Z > 0. Do vậ vậy sẽ sẽ không có trườ trường ng thẩ thẩm thấ thấ u vào nử nử a mặt phẳ phẳng Z < 0. Theo lý thuyế thuy ế t ảnh thì các ngu ồ ngu ồn n được được bứ bứ c xạ xạ củ của mộ một tậ tập ngu ồn ồn sơ sơ cấ p đặt đặt trên mặ mặt phẳ phẳng dẫ dẫn điện lý tưở tưởng ng giố giố ng ng như như trườ trường ng được được phát bở bởi các ngu ồ ngu ồn n sơ sơ cấ p cộ cộng vớ với ảnh củ của nó. Ảnh hưở hưởng ng củ của dòng thứ thứ cấ cấ p làm cho mậ mật độ công độ công suấ suấ t, t, điện trở trở bứ b ứ c xạ x ạ và trở trở kháng vào củ của anten bị bị thay đổi đổi do tổ tổn hao trong đấ t làm giả giảm hiệ hi ệu suấ suấ t củ c ủa anten. Ảnh hưở h ưởng ng này rấ rấ t phứ ph ứ c tạ t ạp, để đơn đơn giả gi ản ta coi mặ mặt đấ t là mặ mặt phẳ ph ẳng dẫn điện lý tưở tưởng. ng.
2.10.2 Bài toán Tìm trườ trường ng bứ bứ c xạ xạ do mộ một anten đơn đơn cự cự c đặt đặt trên mặ mặt đấ t dẫ dẫn được được lý tưở tưởng ng tạ tại mộ một điểm cách anten là r. Để xác Để xác định định trườ trường, ng, ta dùng phươ phương ng pháp ảnh gươ g ương, ng, thay thế thế ảnh hưở h ưởng ng củ c ủa mặ m ặt đấ t bằ b ằng mộ m ột anten ảnh củ của anten thậ thật qua mặ mặt phẳ ph ẳng dẫ d ẫn điện, dòng điện củ c ủa anten ảnh này có biên độ và độ và pha như như thế th ế nào nào đó để tr để trườ ường ng tổ tổng tạ t ạo bở b ởi anten thậ thật và anten ảnh cũng giố giố ng ng như như trườ trường ng tạo bởi anten thậ thật và dòng thứ thứ cấ p. p. Đồng Đồng thờ thời các vector trườ trường ng tổ t ổng phả phải thỏ th ỏa mãn đi ều ều kiệ ki ện bờ b ờ trên b ề b ề m mặặt dẫ d ẫn lý tưở tưởng ng (có thành ph ầ ph ần n tiế ti ế p tuyế tuyế n bằng 0). Muố Muố n vậy, dòng điện ảnh phả phải có biên độ bằng biên độ của dòng điện anten thậ thật, còn pha củ của nó so vớ với pha củ của dòng trên anten thậ thật sẽ sẽ tùy thuộ thuộc hướ hướng ng anten thậ thật so vớ với mặ mặt phả phản xạ xạ. Ta l ần ần lượ lượtt xét các anten đơn đơn cự cự c trên mặ mặt đấ t như như sau: sau:
Anten đặ đặtt thẳ thẳng đứ ng ng trên mặ mặt đấ t: t: Gọi M là củ của đường đường sứ s ứ c điện của anten thậ thật và mặ mặt phẳ phẳng dẫ d ẫn điện. Tại M để thỏ thỏa mãn đi ều ều kiệ kiện trên mặ mặt dẫ dẫn lý tưở tưởng ng thì thành ph ầ ph ần n tiế tiế p tuyế tuyế n củ của điện trườ trường ng do anten ảnh tạ tạo ra phả phải có phân bố bố như như thế thế nào nào đó để chúng để chúng triệ triệt tiêu vớ với thành ph ầ ph ần n tiế tiế p tuyế tuyế n của điện trườ trường ng do anten thậ thật tạ tạo ra. Như Như vậ vậy; dòng anten ảnh có:
ê:độ ượê độòớđệ ậ ậ
TRANG 58| 58| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
Ngh ĩ a là anten ảnh phả phải có kích thướ thướcc bằ bằng anten thậ thật đặt đặt đố i xứ xứ ng ng qua mặ mặt đấ t và dòng điện trên đó cùng chi ều ều vớ với dòng điện anten thậ thật.
I ( z )
I ( z )
M
E P
E S
E
Hình 2.16 – Monopole đặt đặt thẳ thẳng đứ ng ng trên mặ mặt đấ t. t.
Anten nằ nằm ngang trên mặ mặt đấ t: t: I ( z )
I ( z )
M
E P
E S
E
Hình 2.17 – Monopole đặt đặt nằ nằm ngang trên mặ mặt đấ t. t.
I p
I ( z )
I ( z )
I t
'
I t
I ' p
Hình 2.18 – Monopole đặt đặt nằ nằm xiên trên mặ mặt đấ t. t. Để t Để tạại điểm M cườ cường ng độ điện trườ trường ng chỉ chỉ có thành ph ầ ph ần n pháp tuyế tuyế n thì anten ảnh phả phải có kích thướ thướcc gi giố ng ng anten thậ thật đặt đặt đố i xứ xứ ng ng qua mặ mặt đấ t. t. Dòng qua anten ảnh phả phải ngượ ngượcc chi ều ều vớ với dòng qua anten thậ th ật.
Anten đặ đặtt xiên trên mặ mặt đấ t: t:
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUYẾ T ANTEN > TRANG 59 ANTEN - TRUYỀ TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO TẦ TẦN
Ta phân tích dòng trên anten thậ thật thành 2 thành ph ầ ph ần n thẳ thẳng đứ ng ng và nằ nằm ngang; từ từ đó áp dụ dụng ảnh gươ gương ng cho từ từ ng ng thành ph ầ ph ần. n.
Trườ Tr ườ ng ng bứ bứ c xạ xạ: Xét mộ một anten Monopole dài L đặt đặt thẳ thẳng đứ ng ng trên mặ mặt phẳ phẳng dẫn điện lý tưở tưởng. ng. Dùng phươ phương ng pháp ảnh gương ương tìm trườ trường ng do anten monopole gây ra và đúng bằ bằng trườ trường ng do anten dipole dài 2L gây ra trong không gian (Hình 2.16). + Cườ Cường ng độ điện trườ trường: ng:
,, ,, _ ∯/ ,, Ω _ 2 ,, 2,, _, _ _ _
(2.102)
+ Cườ Cường ng độ b độ bứ ứ c xạ xạ:
(2.103)
+ Công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ:
(2.104)
+ Hệ Hệ số số đị định nh hướ hướng: ng:
(2.105)
+ Điện trở trở bứ bứ c xạ xạ
(2.106)
Ví dụ dụ 2.2: Cho 2.2: Cho 1 anten đơn đơn cự cự c dài L = /4 được được đặt đặt trên mặ mặt đấ t dẫ dẫn điện lý tưở tưởng ng không tổ tổn hao có biên độ dòng độ dòng ngõ vào là I0 = 1A có phân bố b ố theo theo phươ phương ng trình I(z) = I0sin[k(L – z)]. Cho điện dẫ d ẫn củ của anten là = 5,8.107 S/m, bán kính anten a = 0,5 cm và t ầ t ần n số số công công tác 300MHz. Tính trở tr ở kháng ngõ vào, cườ cường ng độ b độ bứ ứ c xạ xạ và công suấ suấ t tổ t ổn hao. Giả Giải: Trườ Trường ng bứ bứ c xạ xạ anten Monopole
/ / ,, / ,, /
Suy ra cườ cường ng độ b độ bứ ứ c xạ xạ anten Monopole:
TRANG 60| 60| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
_/ _/ 0,573 7342,5Ω ....,.,. 4,52.10 ,..,. 0,144/ // sin // // 1,47.10
Điện trở trở b ề b ề m mặặt dây:
Trở Trở kháng dây trên đơn đơn vị vị dài:
Công suấ suấ t tiêu hao:
Thay dòng điện I(z) = I0sin[k(L – z)] =
BÀI 2: LÝ THUYẾ THUY Ế T ANTEN > TRANG 61 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
TÓM TẮ TẮT Trong bài này, ngườ i học tìm hi ể ng bứ c x ạ do anten bằng cách ể u đượ c cách tính tr ườ ườ ng gi ải hệ phươ ng ng trình Maxwell. Các anten c ơ bản đượ c gi ớ ng c ự ơ b ới thi ệu trong bài này bao gồm các l ưỡ ưỡ ng ực (dipole Hertz, dipole ngắn, dipole t ải kháng, dipole có chi ều dài so sánh đượ c v ớ ớ i bướ c sóng), các nguồn anten dây, anten vòng dây tròn.
Các thông số tính toán c ủa các anten trên bao g ồm thế vector , , c ườ ng độ đ i iệ n ườ ng
tr ườ ng , , c ườ ng độ t ừ tr ườ ng ườ ng ườ ng ừ tr ườ ng
và các đặc tr ư n ưng g bứ c x ạ c ủa anten (công suấ t bứ c x ạ ,
đ i ở b iệ n tr ở bứ c x ạ , hệ số h hướ ng ng tính, hi ệu suấ t). t).
TRANG 62| 62| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
CÂU HỎ HỎI ÔN TẬ TẬP Câu 1: Một monopole dài L = /4 hoạ hoạt động tại t ần số 300 300 MHz, dòng vào anten là động tạ ần số 1A và hiệ hiệu suấ suấ t 75%. Tính: a. Trờ Trờ kháng vào củ của anten. b. Công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ. c. Độ l Độ lợ ợi anten. Câu 2: Một anten dipole dài 0,5 làm việ việc tạ t ại t ầ t ần n số s ố 30 30 MHz, dòng vào 0,5 A. Đặt Đặt hai cuộ cuộn cả cảm đủ l giữ a mỗ mỗi nhánh củ của anten. Xác định trở bứ bứ c xạ xạ và hệ hệ số số đủ lớ ớn vào giữ định điện trở hướng ng củ của anten. định định hướ
Một dipole Hertz có chi ều bằng đồng ều dài L = 0,05 làm bằ đồng có độ d độ dẫẫn điện = 5,8.107 S/m, bán kính a = 2cm được bằng dòng I0 = 1A tạ tại t ầ t ần n số số 30 30 MHz. Hằ Hằng số số được kích thích bằ từ thẩ thẩm = 4.10-7 H/m. Câu 3: Điện trở trở bứ bứ c xạ xạ củ của anten là: A. 0,157
B. 0,0157
C. 0,0197
D. 0,078
Câu 4: Điện trở trở tổ tổn hao củ của anten là: A. 1,57.10-4 B. 0,57.10-4
C. 0,057
D. 0,57.10-3
C. 69,5%
D. 71,3%
Câu 5: Hiệ Hiệu suấ suấ t củ của anten là: A. 97,2%
B. 52,2%
Câu 6: Công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ củ của anten là: A. 0,01W
B. 0,1W
C. 0,05W
D. 0,2W
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ > TRANG 63 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ Sau khi họ học xong bài này, ngườ ngườii họ học có thể thể:
Bi ế ng bứ c x ạ. ết cách sắ p x ế ế p c ủa hệ thố ng
Tính toán tr ườ ng do hệ thố ng ng anten bứ c x ạ. ườ ng
3.1 GIỚ GIỚ I THIỆ THIỆU Xét mộ một hệ h ệ thố thố ng ng anten có N ph ầ ph ần n tử t ử đặt bố dòng dòng trên đặt trong không gian và phân bố
, , . . ,
mỗi ph ần tử là là ần tử
. Chúng ta c ầ c ần n xét trườ trường ng do hệ hệ thố thố ng ng gây ra tại M và được được
xác định thế vectơ vectơ . định thông qua thế
A(r )
A1 (r )
A0 ( r ) M ( r , , )
r
J 0
J 1
r '
J 2
J N 1
Hình 3.1 - Hệ Hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ g ồm ph ần n tử tử phân phân bố bố rờ rời rạ rạc ồm N ph ầ V: là thể thể tích chứ chứ a các anten ph ần tử . ần tử
:là :là phân bố bố dòng dòng tổ tổng tấ tấ t cả cả các anten ph ầ ph ần n tử tử trong trong V.
r’: là khoả khoảng cách từ từ gố gố c tọ tọa độ đế n dV đang xét trên mộ một ph ần tử anten. anten. ần tử r: là khoả khoảng cách từ từ gố gố c tọ tọa độ đế n M c ần trường. ng. ần xác định định trườ
TRANG 64| 64| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
∰ ′′ ′′ ′′ ∑ ′′ ∑ ∰ ′′ ′′
Ta có thế thế vector vector ở vùng xa là:
do do phân bố bố dòng dòng
củ của ph ầ ph ần n tử tử bứ bứ c xạ xạ thứ thứ i i gây ra tạ tại M
Vi: là thể thể tích chứ chứ a ph ần tử anten anten thứ thứ i. i. ần tử Bây giờ giờ ta tìm thế thế vector vector
do
là phân bố bố dòng dòng tổ tổng rời rạc g ồm ồm
gây ra tạ tại M ở vùng xa. Ta có:
Do đó:
Trong đó:
(3.1)
, , . . , (3.2)
(3.3)
(3.4)
: khoả khoảng cách từ từ gố gố c tọ tọa độ đế n ph ần tử thứ thứ i. i. ần tử
: khoả khoảng cách từ từ đ gố c trên ph ầ ph ần n tử tử thứ thứ i i dVi. điểm gố
Gọi
là phân bố bố dòng dòng trên ph ầ ph ần n tử tử tham tham khả khảo nào đó.
′′ ∑ ∰ ∑ ∰ ∑
(3.5)
Thay (3.4) và (3.5) vào (3.3):
(3.6)
Gọi ARFAC (Array Factor) là hệ hệ số số sắ sắp xế xế p: p:
Thế Thế vector vector liên quan đế n ph ần tử tham tham khả khảo: ần tử
(3.7)
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ > TRANG 65 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Vậy:
∰
A1 (r )
(3.8)
(3.9)
A0 ( r ) M ( r , , )
r
J 1
J N 1
J 2
r '
r i
r ' i J 0
dV i
Hình 3.2 - Thế Thế vector vector tổ tổng củ của N ph ầ ph ần n tử tử bứ bứ c xạ xạ Ta thấ thấ y ARFAC là đại lượng ng vô hướ hướng ng phụ phụ thuộ thuộc vào: đại lượ + Cách sắ sắp xế xế p các ph ần tử bứ bứ c xạ xạ trong không gian. ần tử + Tỷ Tỷ lệ lệ dòng giữ giữ a các ph ần tử bứ bứ c xạ xạ. ần tử Ta có:
vớ với
Do đó:
Tương tự : ương tự
(3.10)
(3.11)
TRANG 66| 66| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
3.2 HỆ THỐ THỐNG BỨ C XẠ THẲ THẲNG KHOẢ KHOẢNG CÁCH ĐỀU ĐỀU
(LESA-LINEAR
EQUALLY
SPACED
ARRAYS) Xét mộ một hệ hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ g ồm ph ần n tử tử đượ xế p thẳ thẳng hàng và khoả khoảng cách giữ giữ a ồm N ph ầ đượcc xế 2 ph ần tử liên liên tiế tiế p bằ bằng nhau và bằ bằng d. ần tử
J N 1
M (r , , )
J 2
r i
r
J 1
J 0
Hình 3.3 - Hệ Hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ LESA Chọ Chọn hệ h ệ trụ tr ục tọ t ọa độ như như hình hình vẽ vẽ. Hệ H ệ số s ố sắp xế x ế p ARFAC củ của hệ h ệ thố th ố ng ng được từ được tìm từ biể biểu thứ thứ c (3.7):
∑ 1
Chọ Chọn ph ần tử thứ thứ 0 0 làm ph ầ ph ần n tử tử tham tham khả khảo. Lúc đó: ần tử
Và:
Thay vào hệ hệ số số sắ sắp xế xế p ta được: được:
(3.12)
(3.13)
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ > TRANG 67 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
∑ ∑ ∑ ∑
(3.14)
Đặt Đặt C = e jkdcos:
(3.15)
Kế t luậ luận: ARFAC củ của LESA có N ph ầ ph ần n tử tử được biểu diễ diễn như như đ thứ c bậ bậc N-1 theo được biể đa thứ biế biế n phứ phứ c C. Các điể m không (null) củ của đồ đồ th thịị ARFAC củ của hệ hệ thố thố ng ng LESA: Vì
0 00 nên để
một hướ hướng ng nào đó thì: ở mộ (3.16)
Do ARFAC phụ phụ thuộ thuộc vào Ii, d, nên ta có thể th ể chọ chọn Ii và d sao cho ARFAC = 0 ở mộ một hướng ướng nào đó. Ví dụ d ụ 3.1: Xây 3.1: Xây dự dự ng ng hệ h ệ số s ố bứ b ứ c xạ x ạ củ c ủa mộ một hệ h ệ thố th ố ng ng bứ bứ c xạ x ạ có 3 ph ầ ph ần n tử t ử sao sao cho ARFAC = 0 ở hướ hướng ng = /4 và = /2 . Giả Giả sử sử khoả khoảng cách giữ giữ a 2 ph ần tử liên liên tiế tiế p là ần tử d = /4. Vẽ Vẽ đồ th đồ thịị ARFAC. Giả Giải:
∑ / /1 1/ √ 0 √ 2 0 1 1 /√ / 1√ √ 0 12 /√ 1 , Theo đề bài: đề bài:
Từ (2): (2): I2 = -1 – I1, thế thế vào vào (1):
Nhậ Nhận xét: Bằng cách chọ chọn lự a dòng
bấ t kỳ (bằ (bằng 1A), sau đó chọ chọn các giá trị trị
thể chọ chọn lự lự a các hướ hướng ng bứ bứ c xạ xạ thỏ thỏa mãn yêu c ầ c ầu u củ của bài toán. thích hợ hợp, ta có thể
TRANG 68| 68| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
3.3 HỆ THỐ THỐNG BỨ C XẠ THẲ THẲNG KHOẢ KHOẢNG CÁCH ĐỀU ĐỀU KÍCH THÍCH ĐỒNG ĐỒNG NHẤ NHẤ T (LCPESALINEAR CO-PHASAL EQUALLY SPACED ARRAYS) LCPESA là mộ một hệ hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ thẳ thẳng khoả khoảng cách đều ph ần n tử tử và và kích thích đều g ồm ồm N ph ầ bởi dòng có biên độ gi ng nhau và pha củ của 2 ph ầ ph ần n tử tử liên liên tiế tiế p lệ lệch nhau mộ một góc là k0. độ giố ố ng
∑ ∑ ∑ ∑ ∑
(3.17)
Vì hệ hệ thố thố ng ng là LESA nên:
I 0 e
j ( N 1) k 0
M (r , , )
I 0 e
j 2 k 0
I 0 e
jk 0
r i
r
I 0
Hình 3.4 - Hệ Hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ LCPESA
1 1 1 1
Đặt Đặt = kdcos + k0:
(3.18)
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ > TRANG 69 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
(3.19)
(3.20)
Biên độ c độ củ ủa ARFAC là:
| | | | I à ố ê | |
(3.21)
(3.22)
Khi vẽ vẽ ARFAC ta thườ thường ng sử sử dụ dụng hàm chuẩ chuẩn hóa:
(3.23)
Ta thấ thấ y ARFAC phụ phụ thuộ thuộc vào N, d, k0 và . Khả Khảo sát |ARFAC| theo :
Trướ Trướcc hế hế t ta xét ARFAC là hàm theo = kdcos + k0. Hàm này có đặc đặc tính: - Cự c đại đại khi = 0. - Có chu kỳ kỳ tu ần xứ ng ng xung quanh = . ần hoàn là 2 và đố i xứ - Có N-1 điểm không cách đều một khoả khoảng 2 /N trong mộ một chu kỳ kỳ. Do đó đều nhau mộ trong khoả khoảng [0,2] có N-2 búp phụ phụ (do có N-1 điểm không). Búp phụ phụ có độ rộng 2 /N. Tạ Tại gố gố c tọ tọa độ ta một búp chính vớ với độ r độ ta có mộ độ rộ ộng 4 /N. Khi N tă tăng: - Biên độ búp sẽ tă tăng (do tỷ tỷ lệ lệ thuậ thuận vớ với N). độ búp chính sẽ - Số búp búp phụ phụ tă tăng lên. - Độ r hẹp lạ lại. Độ rộ ộng búp chính hẹ
TRANG 70| 70| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
ARFAC n
1
2
1
1
1
2
1
Hình 3.5 – Đồ th bứ c xạ xạ củ của LCPESA Đồ thịị bứ Quy tắ tắc vẽ vẽ đồ đồ th thịị |ARFAC| phụ phụ thuộ thuộc vào : Vẽ đồ th Bướ c 1: Vẽ đồ thịị
ARFA
phụ phụ thuộ thuộc vào .
Vẽ mộ một đường thẳng song song vớ với trụ trục ; tên củ của trụ trục đó là trụ trục củ của anten Bướ c 2: Vẽ đường thẳ xế p dọ dọc trên nó; chi ều tăng củ của trụ trục trùng vớ với chi ều tăng củ của . ều tă ều tă
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ > TRANG 71 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
thẳng vuông góc cắ cắt trụ trục mới vẽ tại một Bướ c 3: Tại điểm = k0 vẽ một đường đường thẳ Lấ y điểm đó làm tâm và vẽ vẽ đường điểm. Lấ đường tròn bán kính kd. thị ARFAC phụ phụ thuộ thuộc vào thu được chiế u từ đồ thị thị trong Bướ c 4: Đồ thị được bằng cách chiế bước xuố ng ng đường nh ư sau: sau: ước 1 xuố đường tròn trên như
Các điểm không tươ tương ng ứ ng ng vớ với các hướ hướng ng bứ bứ c xạ xạ không.
Các điểm cự cự c đại tương ng ứ ng ng vớ với các hướ hướng ng cự cự c đại. đại tươ đại.
Các búp phụ phụ tươ tương ng xứ xứ ng ng vớ với nhau.
Vì đồ th x ứ ng ng quanh trụ trục đố i vớ v ới mộ một hệ hệ thố th ố ng ng tuyế tuyế n tính nên đồ thịị |ARFAC| theo đố i xứ ta vẽ vẽ trong vòng 0 ’ < (’ là góc so vớ với trụ trục mớ mới vẽ vẽ). Nế Nế u trụ trục là trụ trục z thì ’ = , nế u x hoặ hoặc y thì ’ = /2 - . Chuyển từ từ đồ thịị |ARFAC| theo qua 3 mặ mặt phẳ phẳng xOy, xOz, yOz. Bướ c 5: Chuyể đồ th Ví dụ dụ 3.2: V 3.2: Vẽẽ đồ th hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ g ồm tử đặ dọc trụ trục đồ thịị ARFAC theo cho hệ ồm 4 ph ần ần tử đặtt dọ z vớ với k0 = 0 và khoả khoảng cách giữ giữ a hai ph ầ ph ần n tử tử bứ bứ c xạ xạ liên tiế tiế p là /2. Giả Giải: |ARFAC|= 0 tạ tại
và đố i xứ xứ ng ng quanh = . Đồ th Đồ thịị |ARFAC| có 3 điểm
0 trong 1 chu kỳ kỳ 2. Các điểm không chia [0,2] thành 4 đoạn bằ bằng nhau. Kế Kế t quả quả mô tả như như Hình Hình 3.5.
3.4 CÁC HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ C XẠ HƯỚ NG NG TR ỤC BROADSIDE VÀ ENDFIRE 3.4.1 Hệ thố thố ng ng Broadside Là hệ h ệ thố th ố ng ng bứ b ứ c xạ x ạ thẳ th ẳng khoả khoảng cách đều nhấ t có hướ hướng ng bứ b ứ c xạ đều kích thích đồng đồng nhấ cự c đại trục anten. đại vuông góc trụ kiện để hệ thố thố ng ng LCPESA trở trở thành hệ hệ thố thố ng ng broadside xuấ xuấ t phát từ từ (3.21): (3.21): Đi ều ều kiệ
| |
cự c đại đạt đạt cự đại I0N khi
Xét giá trị trị cự cự c đại tại gố gố c tọ tọa độ ta đại tạ độ ta có m = 0
=
kdcos + k0 =0 k0 = - kdcos.
TRANG 72| 72| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
thố ng ng LCPESA trở trở thành broadside thì đòi hỏ hỏi |ARFAC| đạt cự c đại tại giá trị trị Để h Để hệệ thố đạt cự đại tạ = /2 (giả (giả sử sử hệ hệ thố thố ng ng có các ph ầ ph ần n tử tử đặ dọc trụ trục z). Từ Từ đ đặtt dọ đó k0 = 0. Khả Khảo sát hệ hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ Broadside, sự sự phụ phụ thuộ thuộc củ của ARFAC vào N và d: Hình 3.6 cho thấ thấ y: y: Khi
d = const; nế nế u N tă tăng thì thì độ r của búp chính giả giảm và số số búp búp phụ phụ tă tăng. độ rộ ộng củ
Khi
N = const; nế nế u d tă tăng thì độ r giảm và số số búp búp phụ phụ tă tăng. độ rộ ộng búp chính giả
Khi
d tă tăng đế n mứ mứ c d > , sẽ sẽ xuấ xuấ t hiệ hiện các búp phụ phụ có biên độ b độ bằằng biên độ búp độ búp
chính. Đi ều xảy ra khi kd > 2 - 2 /N d > (1 – 1/N). Lúc đó các búp phụ phụ được ều này xả được gọi là các búp lướ lưới. i. Sự Sự xuấ xuấ t hiệ hiện củ của nó là đi ều muố n vì gây nhiễ nhiễu thông ều không mong muố tin cho hệ hệ thố thố ng ng khác nên ta thiế thiế t kế kế sao sao cho:
d λλ 1
(3.24)
Hình 3.6 – Đồ th bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng ng broadside Đồ thịị bứ
3.4.2 Hệ thố thố ng ng endfire Hệ thố thố ng ng Endfire thườ thườ ng: ng: là hệ hệ thố thố ng ng LCPESA có hướ hướng ng bứ bứ c xạ xạ cự cự c đại với đại trùng vớ trụ trục đặt Giả sử sử các các ph ần tử bứ bứ c xạ xạ đặt trục z. Khi đó đi ều kiện để tr đặt anten. Giả ần tử đặt trên trụ ều kiệ để trở ở thành endfire thườ thường: ng:
0 0 → 00 →
(3.25)
Ví dụ dụ 3.3: V 3.3: Vẽẽ đồ th hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ endfire thườ thường ng g ồm đồ thịị ARFAC theo cho hệ ồm 4 ph ần ần tử đặ dọc trụ trục z vớ với khoả khoảng cách giữ giữ a hai ph ầ ph ần n tử tử bứ bứ c xạ xạ liên tiế tiế p là /2. ử đặtt dọ
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ > TRANG 73 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Giả Giải N = 4; kd =
k0 = -. ARFAC n
1
2
2
Hình 3.7 – Đồ th bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng ng endfire thườ thường ng Đồ thịị bứ Hệ thố thố ng ng endfire loạ loại 1: là 1: là hệ thố thố ng ng endfire thườ thường ng và không có búp phụ phụ phía sau búp chính. Giả Giả sử các các ph ần trục z. Khi đó đi ều kiện để trở trở thành ần tử bứ c xạ đặt đặt trên trụ ều kiệ endfire loạ loại 1:
2 2 → 1 → 1
(3.26)
Ví dụ dụ 3.4: Vẽ đồ th hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ endfire loạ loại 1 g ồm ph ần n đồ thịị ARFAC theo cho hệ ồm 4 ph ầ tử đặ dọc trụ trục z. ử đặtt dọ Giả Giải d = 3 /8, k0 = -3 /4.
TRANG 74| 74| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
ARFAC n
1 3
2
4
2
Hình 3.8 – Đồ th bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng ng endfire loạ loại 1 Đồ thịị bứ
Hình 3.9 – Đồ th bứ c xạ xạ trong không gian củ của hệ hệ thố thố ng ng endfire loạ loại 1 Đồ thịị bứ
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ > TRANG 75 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Hệ thố thố ng ng endfire loạ lo ại 2: 2: là hệ hệ thố thố ng ng endfire thườ thường ng và có mộ một búp phụ phụ phía sau búp chính. Giả Giả sử các các ph ần trục z. Khi đó đi ều kiện để trở trở thành ần tử bứ c xạ đặt đặt trên trụ ều kiệ endfire loạ loại 2:
2 2 → 1 → 1
(3.27)
Ví dụ dụ 3.5: Vẽ đồ th hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ endfire loạ loại 2 g ồm ph ần n đồ thịị ARFAC theo cho hệ ồm 4 ph ầ tử đặ dọc trụ trục z. ử đặtt dọ Giả Giải d = 7 /16, k0 = -7 /8. ARFAC n
1 7
2
8
2
Hình 3.10 – Đồ th bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng ng endfire loạ loại 1 Đồ thịị bứ Hệ thố thố ng ng Hansen-woodyard: Hansen-woodyard: là hệ hệ thố thố ng ng endfire thườ thường ng như như ng ng đường đường tròn được được dời v ề v ề phía phía sau mộ một đoạn
và k0 <
bảo rằ rằng búp phụ phụ nhỏ nhỏ hơ hơn búp chính. để đảm đảm bả
Giả Giả sử các ph ầ ph ần n tử bứ c xạ đặt trục z. Khi đó đi ều kiện để trở trở thành Hansenđặt trên trụ ều kiệ woodyard:
TRANG 76| 76| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
1
(3.28)
3.5 ĐỘ R ĐỘ R ỘNG BỨ BỨ C XẠ XẠ KHÔNG, ĐỘ R ĐỘ R ỘNG NỬ NỬ A CÔNG SUẤ SUẤ T VÀ HỆ HỆ SỐ ĐỊNH ĐỊNH HƯỚ NG NG CỦA HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ 3.5.1 Độ r Độ rộ ộng bứ bứ c xạ xạ không (BWFN) Các hướ hướng ng bứ bứ c xạ xạ không củ của hệ hệ thố thố ng ng được từ đ kiện |ARFAC| = 0 được xác định định từ đi ều ều kiệ = kdcos + k0 = m2 /N. Chọ Chọn m = 1:
θ cos θ θ cos cos cos 2cos
(3.29)
với hệ hệ thố thố ng ng broadside (k0 = 0) và g ầ g ần n broadside: Đố i vớ
(3.30) (3.31)
với hệ hệ thố thố ng ng endfire: Đố i vớ
(3.32)
3.5.2 Độ r Độ rộ ộng nử nử a công suấ suấ t (HPBW) Hệ thố thố ng ng broadside và g ần ần broadside:
m:
0,866 coscos
(3.33)
2 0,0,866
(3.34)
hướ hướng ng bứ bứ c xạ xạ cự cự c đại đại (m /2)
Hệ thố thố ng ng endfire:
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ > TRANG 77 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
3.5.3 Hệ s số ố đị định nh hướ hướ ng ng
ầ 7,28
(3.35)
Với L = Nd là chi ều của hệ hệ thố thố ng. ng. ều dài củ
3.6 NHÂN ĐỒ TH ĐỒ THỊỊ Từ (3.10): (3.10):
, đồ th bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ g ồm bứ c đồ thịị bứ ồm đồ th đồ thịị bứ
xạ củ của ph ần tử chuẩ chuẩn nhân vớ với hệ hệ số số sắ sắp xế xế p ARFAC. ần tử Ví dụ d ụ 3.6: Vẽ đồ th b ứ c xạ x ạ củ của hệ h ệ thố th ố ng ng anten có 4 ph ầ ph ần n tử t ử bứ b ứ c xạ x ạ đẳng hướng, ng, đồ thịị bứ đẳng hướ thẳng hàng cách nhau d = /2 và k0 = 0 dọ dọc trụ trục z. được được đặt đặt thẳ Giả Giải: của |ARFAC|: Đồ th Đồ thịị củ ARFAC n
1
2
2
Hình 3.11 – |ARFAC| củ của hệ hệ thố thố ng ng anten có 4 ph ầ ph ần n tử tử
TRANG 78| 78| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1 U ( , ) n , Arrays
1
1
1
1
1
ARFAC n
U ( , ) n, ref
Hình 3.12 – Đồ th ph ần n tử tử chuẩ chuẩn và hệ hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng ng Đồ thịị |ARFAC|, ph ầ anten có 4 ph ầ ph ần n tử tử Chú ý: nế nế u ph ần tử chuẩ chuẩn đẳng hướng ng thì đồ th bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng ng là đồ th bứ c ần tử đẳng hướ đồ thịị bứ đồ thịị bứ xạ củ của |ARFAC|. Ví dụ dụ 3.7: Vẽ đồ th bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ có 4 ph ầ ph ần n tử tử dipole dipole Hertz được đồ thịị bứ được đặt đặt dọc trên trụ trục z thẳ thẳng hàng cách nhau d = /2 và k0 = -.
N 4
d / 2
Hình 3.13 – Sắ Sắp xế xế p củ của các ph ần tử ần tử
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ > TRANG 79 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Giả Giải hệ thố thố ng ng endfire thườ thường ng nên đồ th của |ARFAC|, ph ầ ph ần n tử tử chuẩ chuẩn và hệ hệ thố thố ng ng Đây là hệ đồ thịị củ bứ c xạ xạ trên các mặ mặt phẳ phẳng như như Hình Hình 3.14. 1
1
ARFAC n
1
1 1
F ( , ) n, ref
1
1
1
1
1
1
1
1
F ( , ) n , Arrays
1
1
1
Hình 3.14 – Đồ th ph ần n tử tử chuẩ chuẩn và hệ hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng ng Đồ thịị |ARFAC|, ph ầ anten có 4 ph ầ ph ần n tử tử dipole dipole Hertz Chú ý: anten chuẩ chuẩn dipole Hertz đặt d ọc trụ tr ục y; nên đồ th trục z bởi đặt dọ đồ thịị bứ c xạ thay trụ trụ trục y.
TRANG 80| 80| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
TÓM TẮ TẮT Trong bài này, ngườ i học tìm hi ể ểu đượ c cách sắ p x ế ế p c ủa các anten c ơ ơ bản để t ạo thành một hệ thố ng ng bứ c x ạ. Các hệ thố ng ng bứ c x ạ tính toán d ự bản ựa trên các anten c ơ ơ b và thự c hi ện nhân đồ th ị ph phươ ng ng hướ ng ng c ủa các anten này v ớ sắ p x ế ới hệ số s ế p ARFAC.
ới thi ệu trong bài là hệ thố ng Các hệ thố ng ng bứ c x ạ đượ c gi ớ ng bứ c x ạ thẳng khoảng cách ng bứ c x ạ thẳng khoảng cách đều kích thích đồng nhấ t LCPESA và các đều LESA, hệ thố ng hệ thố ng ng broadside, endfire. Ngoài ra, độ r ộng bứ c x ạ không, bứ c x ạ nử a công suấ t và hệ số đị nh nh hướ ng ng c ủa hệ thố ng ng bứ c x ạ c ũng đượ c khảo sát.
BÀI 3: HỆ HỆ THỐ THỐNG BỨ BỨ C XẠ XẠ > TRANG 81 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
CÂU HỎ HỎI ÔN TẬ TẬP Câu 1: Vẽ đồ th hệ thố thố ng ng bứ bứ c xạ xạ sau: đồ thịị |ARFAC| cho các hệ a. N = 4, d = , k0 = /2, các ph ần tử xế xế p dọ dọc trụ trục y và đặt trục z. ần tử đặt trên trụ b. N = 3, d = /2, k0 = /2, các ph ần tử xế xế p dọ dọc trụ trục y và đặt trục y. ần tử đặt trên trụ c. N = 4, d = , k0 = 0, các ph ầ ph ần n tử tử xế xế p dọ dọc trụ trục z và đặt trục z. đặt trên trụ d. N = 4, d = /2, k0 = /2, các ph ần tử xế xế p dọ dọc trụ trục y và đặt trục z. ần tử đặt trên trụ Câu 2: Vẽ đồ th bứ c xạ xạ củ của mộ một hệ hệ thố thố ng ng gố gố m 4 ph ầ ph ần n tử tử Dipole Dipole Hertz có d = 3 /8, đồ thịị bứ k0 = -3 /4, các ph ần tử xế xế p dọ dọc trụ trục y và đặt trục z. Cho biế biế t đây là hệ hệ thố thố ng ng bứ bứ c ần tử đặt trên trụ xạ gì và tính FNBW củ của hệ hệ thố thố ng. ng. Câu 3: Vẽ đồ th bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng ng vớ với các ph ần tử là là anten đẳng hướng ng đặt đồ thịị bứ ần tử đẳng hướ đặt cách nhau d = /2 và kích thích đồng như Hình Hình 3.15. đồng pha (k0 = 0) như Câu 4: Cho hệ hệ thố th ố ng ng endfire loạ loại 1 g ồm ph ần n tử t ử là là các anten dipole được ồm 5 anten ph ầ được khoảng cách d như như Hình Hình 3.16. Vẽ Vẽ đồ th bứ c xạ xạ củ của hệ hệ thố thố ng. ng. đặt đặt cách nhau khoả đồ thịị bứ Câu 5: Cho mộ một hệ thố thố ng ng anten endfire loạ loại 1 g ồm anten dipole ngắ ngắn ồm 5 ph ần ần tử anten (short dipole) đặt một khoả khoảng cách d như như Hình Hình 3.17. Hãy vẽ vẽ đồ th b ứ c xạ xạ đặt cách nhau mộ đồ thịị bứ của hệ hệ thố thố ng. ng.
d d
/ 2
Hình 3.15
/ 2
TRANG 82| 82| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
d
Hình 3.16
N
5
d y
x
Hình 3.17
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 83 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N
SÓNG
VÔ
TUYẾ TUYẾ N Sau khi họ học xong bài này, ngườ ngườii họ học có thể thể:
Tính toán quá trình truy ền sóng vô tuy ế u ến trong không gia t ự ự do, t ầng đố i l ư ưu, , t ầng đ i iệ n ly.
Tính toán truy ền sóng trong thông tin di động.
4.1 GIỚ GIỚ I THIỆ THIỆU Truy ền bằng sóng vô tuyế tuyế n được thự c hiệ hiện bằ bằng sóng điện từ từ truy truy ền ền thông bằ được thự ền qua b ầu ầu khí quyể quyển củ của trái đấ t hay vào không gian trên mộ một khoả khoảng cách xa mà không c ầ c ần n dùng bấ t kì dây dẫ dẫn nào. Sóng điện từ từ có có t ần số từ từ 100Hz 100Hz trong dả dải t ần ần số ần ELF (Extremely Low Frequency) cho đế n 300GHz trong dả dải t ần ần EHF (Extremely High Frequency) được được dùng cho mụ mục đích truy ền G ần n đây ngườ ngườii ta dùng đế n các dả dải t ầ t ần n nằ n ằm g ầ g ần n các ền thông này. G ầ bước thấ y được t ần n số số xấ xấ p xỉ xỉ 1015 Hz. ước sóng ánh sáng thấ được có t ầ +Tác động của môi trườ trường ng truy ề truy ền n sóng: động củ - Làm suy giả giảm biên độ sóng độ sóng - Làm méo dạ dạng tín hiệ hiệu tươ tương ng tự tự - Gây lỗ lỗi đố i vớ với tín hiệ hiệu số số do do nhiễ nhiễu + Mụ Mục tiêu nghiên cứ cứ u quá trình truy ề truy ền n sóng: - Xác định trường ng độ t biế t các thông số số củ của máy phát và đi ều kiện định trườ độ tạại điểm thu khi biế ều kiệ cường ng độ tr ng tố tố i ư u. u. để thu để thu được được cườ độ trườ ường - Nghiên cứ cứ u sự phát phát sinh méo dạ dạng hoặ hoặc gây lỗ lỗi tín hiệ hiệu và tìm biệ biện pháp khắ khắc phụ phục.
TRANG 84| 84| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
+ Sự Sự suy suy giả giảm cườ cường ng độ tr ng do các nguyên nhân: độ trườ ường - Sự Sự phân phân tán nă năng lượ lượng ng bứ bứ c xạ xạ khi lan truy ề truy ền n (suy hao khoả khoảng cách) - Sự Sự hấ hấ p thụ thụ củ của môi trườ trường ng (tố (tố n hao nhiệ nhiệt) - Sự Sự nhiễ nhiễu xạ xạ sóng (tán xạ xạ ) - Sự Sự tán tán sắ sắc Quy ước dải t ần số và và phạ phạm vi ứ ng ng dụ dụng: ước v ề các ề các dả ần số Tên bă băng t ần ần
Extremely frequency
low
Super
low
frequency Ultra frequency
low
Very
low
frequency
Viế Viế t tắt
ITU band
ELF
1
SLF
2
ULF
3
VLF
4
3–30 Hz 100,000 km – 10,000 km 30–300 Hz 10,000 km – 1000 km
Ghi chú
Communication with submarines
Communication with submarines
300–3000 Hz 1000 km – 100 km
Communication within mines
3–30 kHz
Submarine communication, avalanche beacons, wireless heart
100 km – 10 km
rate monitors
30–300 kHz
Navigation,
10 km – 1 km
longwave broadcasting
6
300–3000 kHz 1 km – 100 m
AM (Medium-wave) broadcasts
HF
7
3–30 MHz 100 m – 10 m
Shortwave broadcasts and amateur radio
VHF
8
30–300 MHz 10 m – 1 m
FM and television broadcasts
Low frequency
LF
5
Medium frequency
MF
High frequency Very frequency
high
T ần ần số số / Bướ c sóng
time
signals,
AM
television broadcasts, mobile phones, Ultra frequency
high
UHF
9
300–3000 MHz 1 m – 100 mm
wireless LAN, ground-to-air and airto-air communications, and Two-Way Radios such as FRS and GMRS Radios
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 85 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Super frequency
high
Extremely high frequency
SHF
10
EHF
11
3–30 GHz 100 mm – 10 mm
microwave devices, wireless LAN, most modern Radars
30–300 GHz
Radio
10 mm – 1 mm
microwave radio relay
Above 300 GHz
astronomy,
high-speed
Night vision
< 1 mm
4.2 TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ TỰ DO Giả Giả thiế thiế t ngu ồn bứ c xạ xạ là đẳng hướng ng vớ với công suấ suấ t phát PR và đặt ồn bứ đẳng hướ đặt trong không gian tự do do (ngh ĩ (ngh ĩ a là môi trườ trường ng đồng nhấ t, t, đẳng hướng, ng, không hấ hấ p thụ thụ và có hệ hệ số số đ đồng nhấ đẳng hướ điện môi tương ương đố i ’ = 1). Mật độ công suấ t sóng củ của trườ trường ng bứ bứ c xạ xạ ở cự cự ly ly d kể kể từ từ ngu ngu ồn suấ t sóng độ công suấ ồn hay công suấ từ qua qua mộ một đơn vị diệ diện tích củ của mộ một mặ mặt c ầu điện từ đơn vị ầu bán kính d là:
1m 2
Radio tower
Hình 4.1 - Mậ Mật độ công suấ t bứ bứ c xạ xạ đẳng hướng ng độ công suấ đẳng hướ
/ Π /
(4.1)
Giá trị trị S trong biể biểu thứ thứ c trên cũ cũng chính là giá trị trị trung bình củ của vector Poynting tb mặt c ầu. ở trên mặ ầu.
(4.2)
TRANG 86| 86| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Trong đó: Eh (V/m): giá trị trị hiệ hiệu dụ dụng cườ cường ng độ điện trườ trường. ng. Hh (A/m): giá trị trị hiệ hiệu dụ dụng cườ cường ng độ t trường. ng. độ từ ừ trườ Hai đại lượng ng này có quan hệ hệ như như sau: sau: đại lượ
120 4..1.0 //
(4.3)
Z là trở trở kháng sóng củ của môi trườ trường. ng. Đố i vớ với không gian tự tự do: do:
(4.4)
Thế Thế (4.3) (4.3) và (4.4) vào (4.2):
Thế Thế (4.5) (4.5) vào (4.1):
(4.5)
(4.6)
Nế u anten nhậ nhận được suấ t từ từ ngu ngu ồn xạ công suấ suấ t PR thì hiệ hiệu suấ suấ t được công suấ ồn là PA và phát xạ anten được bởi: được tính bở
Từ đ ừ đó:
(4.7)
(4.8)
Trong thự thự c tế t ế , ngườ ng ườii ta thườ thường ng dùng hệ hệ thố th ố ng ng bứ b ứ c xạ có hướng Mứ c độ định ướng tính. Mứ định hướng bởi hệ hệ số số đị nh hướ hướng ng D. Hệ Hệ số số D D đặc trư ng ng cho mứ mứ c độ t ướng được được đánh giá bở định đặc trư độ tậập trung năng lượ lượng ng bứ bứ c xạ xạ củ của anten theo mộ một hướ hướng ng nào đó. Ta hiể hiểu mộ một cách đơn giản rằ rằng: đơn giả mọi anten có hướ hướng ng đều suấ t bứ bứ c xạ xạ PR và hệ hệ số số đị nh hướ hướng ng ở mộ một hướ hướng ng nào đều có công suấ định sẽ tạ tạo ra tạ tại điểm thu ở hướ hướng ng đó mộ một cườ cường ng độ tr ng có trị trị số số giố giố ng ng như như mộ một đó là D, sẽ độ trườ ường
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 87 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
anten vô hướ hướng ng có công suấ suấ t PR.D tạ tạo ra. Như Như vậ vậy việ việc sử sử dụ dụng mộ một anten có hướ hướng ng sẽ sẽ tương với việ việc tă tăng công suấ suấ t bứ bứ c xạ xạ ở hướ hướng ng đó lên D l ần với dùng anten vô ương đương đương vớ ần so vớ hướng. ướng.
√ 2
(4.9)
Mà độ l độ lợ ợi anten phát Gt=e.D:
(4.10)
Giá trị trị biên độ c cường ng độ tr ng củ của anten có hướ hướng: ng: độ củ ủa cườ độ trườ ường (4.11)
Anten thu có thể th ể đi ều chỉnh vị vị trí để nó th ể nhậ nhận được suấ t cự cự c đại từ sóng sóng ều chỉ để nó có thể được công suấ đại từ từ . Khi ở vị vị trí đó, giả giả sử sử công công suấ suấ t PR tiêu tán trên tả tải củ của anten thu dướ dướii đi ều kiện điện từ ều kiệ tương nhận được n ăng lượ l ượng ng sóng điện từ t ừ này này có thể thể xem như như có có ương thích thì anten thu nhậ được nă một diệ diện tích hiệ hiệu dụ dụng là Aeff nhậ nhận mậ mật độ công suấ t từ từ anten anten phát gử gử i đế n: n: độ công suấ
.. →
(4.12)
Diệ Diện tích hiệ hiệu dụ dụng Aeff củ của anten được như sau: sau: được tính như (4.13)
Giả Giả sử sử anten anten thu phố ph ố i hợ hợp phân cự cự c vớ với anten phát nên PLF=1: (4.14)
Giả Giả sử sử anten anten phát nố nố i vớ với ngu ồn n ố i vớ với tả tải có phố phố i hợ hợp trở trở kháng. Thì ồn và anten thu nố lúc đó tỉ tỉ số số công công suấ suấ t tả tải tạ tại anten thu nhậ nh ận được với công suấ suấ t ngu ồ ngu ồn n máy phát Pt được Pr vớ biểu diễ diễn như như sau: sau: được được biể
,.
(4.15)
Trong đó khoả khoảng cách tính bằ bằng km và t ầ t ần n số số tính tính bằ bằng MHz. Biể Biểu diễ diễn dướ dướii dạ dạng Decibel:
TRANG 88| 88| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
32,32,520log20 20llog
(4.16)
32,32,5 20l20log 20 20llog
(4.17)
Thành ph ần thứ hai hai trong biể biểu thứ thứ c trên là kế kế t quả quả của quá trình phân tán sóng ần thứ trong khi truy ề truy ền n ra xa ngu ồ ngu ồn n và được gọi là hệ hệ số số suy suy hao trong không gian tự tự do. do. được gọ
Satellite based Network
VSAT Hub
Hình 4.2 – Quá trình truy ề truy ền n sóng trong không gian tự t ự do do Ví dụ dụ 4.1: Trong 4.1: Trong hệ hệ thố thố ng ng thông tin vệ v ệ tinh có thể thể giả giả thiế thiế t là sóng truy ề truy ền n trong không gian tự tự do. do. Vệ Vệ tinh ở độ cao số hoạ hoạt động độ cao 36000km, t ần ần số động là 4GHz. Độ l Độ lợ ợi anten phát 15dB và độ l hệ số số suy suy hao đường try ền n và công suấ suấ t độ lợ ợi anten thu là 45dB. Tính hệ đường try ề thu được vệ tinh khi công suấ suấ t phát tạ tại trạ trạm mặ mặt đấ t là 200W. được trên vệ Giả Giải Hệ số số suy suy hao đường đường truy ền: ền:
32,32,5 20l20log 20 20llog 32,5 20log3600020log4000 196 1515 45 196 13136 10/ 0,25.10 Pr = 0,25.10-13.200 = 5.10-12 W = 5 pW.
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 89 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
4.3 TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG TRONG T Ầ T ẦNG NG ĐỐI ĐỐI LƯ LƯ U T ầng lư u là t ầng dướii cùng củ của khí quyể quyển trái đấ t trả trải từ từ mặ mặt đấ t lên đế n độ cao ầng đố i lư ầng dướ độ cao khoả khoảng 8-10km ở các v ĩ tuyế tuyế n cự cự c, c, khoả khoảng 10-12km ở các v ĩ v ĩ tuyế tuyế n trung bình và 1618 km ở mi ền nhiệt đới. Suố t b ề b ề dày dày củ của t ầ t ầng ng đố i lư l ư u, u, chấ chấ t khí có thành ph ầ ph ần n không ền nhiệ đới. Suố giố ng ng như như trên trên mặ mặt đấ t (N2 là 78%, O2 là 21% và mộ một số số các các chấ chấ t khí khác như như H H2, đổi đổi giố CO2, … và hơ hơi nướ nước). c). Riêng mậ mật độ h nướcc có thể thể biế biế n đổi kiện khí tượ tượng ng độ hơ ơi nướ đổi tùy theo đi ều ều kiệ và giả giảm mạ mạnh theo chi ều t ầng ng này các đi ều kiện truy ền ều cao. Trong t ầ ều kiệ ền sóng trong không gian tự tự do do bị bị thay đổi b ề m mặặt cong trái đấ t và b ầ b ầu u khí quyể quyển trái đấ t. t. đổi do b ề
4.3.1 Anten đặt đặt trên mặ mặt đấ t phẳ phẳng Trong mô hình này b ề b ề m mặặt trái đấ t được giả sử s ử là là phẳ phẳng trong khoả khoảng giữ giữ a anten được giả thu và anten phát. Lúc đó sóng tớ tới anten thu g ồ g ồm m có hai thành ph ầ ph ần: n:
Sóng tớ tới trự trự c tiế tiế p. p.
Sóng phả phản xạ xạ từ từ mặ mặt đấ t. t.
4.3.1.1 Hiệ Hiện tượ tượ ng ng phả phản xạ xạ Giả Giả sử sử anten anten đặt tại A ở độ cao mặt đấ t phẳ phẳng. Ta khả khảo sát trườ trường ng ở điểm B đặt tạ độ cao h1 trên mặ Khoảng cách AB = d. đặt đặt anten thu có độ cao độ cao h2. Khoả A B
C
Hình 4.3 – Mô hình truy ền t ầng ng đố i lư lư u vớ với mặ mặt đấ t phẳ phẳng ền sóng t ầ Khác vớ với không gian tự tự do; do; trườ trường ng tại điểm thu là tổ tổng hợp của sóng tớ tới và sóng phả phản xạ x ạ. Tính chấ chấ t củ c ủa sóng phả phản xạ x ạ phụ ph ụ thuộ thu ộc vào hệ hệ số s ố phả ph ản xạ x ạ ở mặ m ặt đấ t. t. Hệ H ệ số s ố phả phản xạ xạ này phụ phụ thuộ thuộc vào các yế yế u tố tố sau: sau: + Tính dẫ dẫn điện củ của mặ mặt đấ t. t.
TRANG 90| 90| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
+ Góc tớ tới củ của sóng tớ tới. + Sự Sự phân phân cự cự c. c. Trườ Trường ng hợ hợp lý tưở tưởng: ng: || = 1, = Các giá trị trị ||, củ của hệ hệ số số phả phản xạ xạ thườ thường ng xác định thự c nghiệ nghiệm. định theo thự
4.3.1.2 Giao thoa Do có sự sự phả phản xạ xạ từ từ mặ mặt đấ t nên trườ trường ng tạ tại điểm thu là tổ tổng hợ hợp sóng tớ tới và sóng phả phản xạ. Hiệ Hiện tượng phụ thuộ thuộc vào ||, . Độ lệch pha ượng này được được gọi là giao thoa và phụ của sóng tớ tới và sóng phả phản xạ xạ phụ phụ thuộ thuộc vào và sự sự chênh chênh lệ lệch độ dài của 2 độ dài đường đường đi củ tia:
Δ
(4.18)
Thự Thự c tế tế do do h1 và h2 << d, cho nên góc lệ lệch sẽ sẽ rấ rấ t nhỏ nhỏ. Vấ n đề đặt đặt ra là xác định định cườ cườ ng ng độ độ tr trườ ườ ng ng thu đượ c ở B B Dùng phươ phương ng pháp ảnh gươ gương, ng, thay ảnh hưở hưởng ng củ của mặ mặt đấ t lên A bở bởi A’. Vậ Vậy tạ tại B là tổ tổng hợ hợp củ của 2 sóng do ngu ồn sơ cấ cấ p tạ tại A gây ra và ngu ồ ngu ồn n thứ thứ cấ cấ p tạ tại A’ gây ra. ồn sơ A B
C
A’
Hình 4.4 – Ảnh hưở hưởng ng củ của tia phả phản xạ xạ Cường ng tạ tại điểm thu củ của tia tớ tới trự trự c tiế tiế p có thể thể được bởi công thứ thứ c ường độ tr độ trườ ường được xác định định bở truy ền thời gian: ền sóng trong mi ền ền thờ
(4.19)
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 91 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
(4.20)
Cường ng tạ tại điểm thu củ của tia phả phản xạ xạ từ từ mặ mặt đấ t có thể thể được b ởi ường độ tr độ trườ ường được xác định định bở công thứ thứ c truy ền thời gian: ền sóng trong mi ền ền thờ
|Γ| |Γ|
(4.21) (4.22)
(Chú ý: Ta chỉ ch ỉ lấ lấ y ph ần thự c củ của các biể biểu thứ thứ c trên.) ần thự Trong thự thự c tế tế h h1, h2 << d, d << d nên:
Khi tính biên độ: độ: d2 = d1 + d d1 d
(4.23)
Khi tính pha:
′ 4 Δ..Δ 22 Δ |Γ| |Γ| 11 |Γ| Δ 1 |Γ| Δ
(4.24) (4.25) (4.26) (4.27)
Từ đ ừ đó:
(4.28) (4.29)
Do đó ta có:
Với
là hàm giao thoa.
(4.30)
TRANG 92| 92| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
1 |Γ| 1 |Γ| Δ |Γ| Δ || 11 |Γ| Δ |Γ| Δ Δ 1 |Γ| Δ 2|Γ| Δ |Γ| Δ || 1 2|Γ| Δ |Γ| || 1 2|Γ| Δ |Γ|
(4.31)
(4.32)
Thế Thế (4.19) (4.19) và (4.32) vào (4.30):
(4.33)
Biể Biểu thứ thứ c (4.33) là công thứ thứ c giao thoa. Nó chỉ chỉ ra rằng do ảnh hưở hưởng ng củ của mặ mặt đấ t nên trườ trường ng tại điểm thu khác vớ với trườ trường ng trong không gian tự tự do một đại đại lượng ượng hàm giao thoa F. Giả Giả sử sử mặ mặt đấ t dẫ dẫn điện lý tưở tưởng: ng: || = 1, =
|| 2 2|Γ|ΔΔ 2 sin || 2 sin || 2 sin sin 1 sin 0
(4.34)
Thay (4.27) vào (4.34):
(4.35)
Lúc đó:
(4.36)
Nhậ Nhận xét:
Khi
thì F=2
cường ng cườ
ng lớ lớn gấ gấ p đôi l ần cường ng độ tr ng độ tr độ trườ ường ần cườ độ trườ ường
trong không gian tự tự do. do.
Khi
Khi
thì F=0 cườ cường ng độ tr ng bằ bằng 0. độ trườ ường
mặ mặt đấ t dẫ dẫn điện lý tưở tưởng, ng, nă năng lượ lượng ng tia tớ tới và tia phả phản xạ xạ bằ bằng nhau. Vớ V ới
một góc tớ tới nào đó thì trườ trường ng củ của hai tia đồng của trườ trường ng tổ tổng tă tăng gấ gấ p đồng pha và độ l độ lớ ớn củ
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 93 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Với mộ một góc tớ tới khác thì trườ trường ng củ của hai tia ngượ ngượcc pha nên độ l trường ng tổ tổng hợ hợp đôi. Vớ độ lớ ớn trườ bằng 0; Hiệ Hiện tượ tượng ng này gọ gọi là cắ cắt khe. Khả Khảo sát sự sự phụ phụ thuộ thuộc củ của F vào h2 Ta phả phải thay đổi rơi vào vùng có F = 0. đổi độ cao độ cao h2 để hàm để hàm F đạt đạt max và tránh rơ Nế u: u:
, ta có thể thể thay thế thế g g ần ần đúng:
Công thứ thứ c (4.36) trở trở thành:
sin212 212
|| ||/ , , ,,
(4.37)
Nế u thay đơn vị củ của PA thành kW, d thành km, ta được thứ c Vedenski: đơn vị được công thứ (4.38)
Ví dụ dụ 4.2: Xét hệ hệ thố thố ng ng phát sóng VHF có công suấ suấ t 100W tạ tại t ầ t ần n số số 600 600 MHz, độ cao anten phát 120m và có độ l độ lợ ợi 2,15 dB. Anten thu đặt đặt cách anten phát 10km. a. Xác định cường ng độ tr ng tạ tại anten thu cao 2m. định cườ độ trườ ường b. Xác định ng độ tr ng lớ lớn nhấ nhấ t. t. định độ cao độ cao anten thu để c để cườ ường độ trườ ường Giả Giải a.
2,15 → 1,64 0,5 0,024 , → √ , 4, 2 210 / , b.
không đổi đổi Ermax khi Fmax.
TRANG 94| 94| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
2 2 sin 1 → → h , 10,41m , 31,25m → h
Fmax khi
n = 0: n = 1:
4.3.2 Anten đặt đặt trên mặ mặt đấ t c ầu ầu 4.3.2.1 T ầm ầm nhìn thẳ thẳng Khi khoả khoảng cách giữ giữ a anten thu và anten phát khá lớ lớn, ta không thể thể xem mặ mặt mặt phẳ phẳng mà phả phải coi đó là mặ mặt c ầ c ầu; u; do đó trong quá trình tính toán c ầ c ần n tính đấ t là mặ của mặ mặt đấ t. t. đế n độ cong độ cong củ
Một thông số số quan quan trọ trọng củ của đường tr ường ng hợ hợp này là t ầm đường thông tin trong trườ ầm nhìn thẳ thẳng. T ầm thẳng được bởi độ dài của đoạn thẳ thẳng tiế tiế p tuyế tuyế n vớ với mặ mặt đấ t ầm nhìn thẳ được xác định định bở độ dài củ nố i giữ giữ a anten thu, anten phát.
Ta có thể thể xác định khoảng cách t ầ t ầm m nhìn thẳ thẳng dmax như như sau: sau: định được được khoả
22 22 √ 2 2
(4.39)
Trong đó a: là bán kính trái đấ t (a=6378 km), h1, h 2 là độ cao của anten phát và độ cao củ anten thu so vớ với mặ mặt đấ t. t. A
C B
0
Hình 4.5 – T ầ T ầm m nhìn thẳ thẳng củ của tuyế tuyế n liên lạ lạc
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 95 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Do hiệ hiện tượ tượng ng khúc xạ xạ nên bán kính Trái Đấ t xem như như = = 4/3 bán kính thậ thật:
4,124 , ,
(4.40)
+ Nế Nế u d 0,2dmax: ta xem mặ mặt đấ t là phẳ phẳng.
+ Nế N ế u d > 0,2dmax: ta xem mặ mặt đấ t là cong. Khi đó ta phả phải hiệ hiệu chỉ chỉnh các công thứ thứ c tính cườ cường ng độ tr ng và hàm giao thoa có tính đế n độ cong của mặ mặt đấ t. t. độ trườ ường độ cong củ
4.3.2.2 Thông tin cự cự ly ly lớ lớ n Ta khả khảo sát bài toán truy ề truy ền n sóng trên mặ mặt đấ t hình c ầ c ầu, u, ngh ĩ a là d > 0,2dmax. A
C
B
0
Hình 4.6 – Thông tin cự cự ly ly lớ lớn Nế u qua điểm phả ph ản xạ x ạ củ c ủa sóng trên mặ mặt đấ t ta vẽ vẽ mộ m ột mặ m ặt phẳ ph ẳng tiế tiế p tuyế tuyế n vớ v ới mặt đấ t và chi ều từ mặ mặt phẳ phẳng ấ y thì bài toán bây giờ giờ có dạng giố giố ng ng bài ều cao anten tính từ toán truy ề truy ền n sóng trên mặ mặt đấ t phẳ phẳng. Suy ra bài toán trên tươ tương ng đương: đương: + Anten cao h1 và h2; mặ mặt đấ t là phẳ phẳng, cự cự ly ly liên lạ lạc d = d1 + d2.
Trong hình này ta đã phóng đại thướcc anten để nhìn Thự c ra vớ với chi ều đại kích thướ để nhìn được được rõ. Thự ều cao thậ thật củ của anten thì góc lệ l ệch giữ giữ a h1 và h1’ ; h2 và h2’ khá bé và có thể thể bỏ bỏ qua được. được. Khi đó ta có thể thể viế viế t: t:
TRANG 96| 96| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
2 2
(4.41)
Từ tam tam giác OA1C và OCB1, ta được: được:
Vì h1 << a:
Tương tự : ương tự
Suy ra:
(4.42)
(4.43)
(4.44)
Khi cự cự ly ly rấ rấ t nhỏ nhỏ: điểm C phả phản xạ xạ có thể thể tìm được giố ng ng như như khi khi mặ mặt đấ t phẳ phẳng: được giố (4.45)
Vớ i cự ly ly lớ n: đường thẳng A 1B1 và đường g ấ p khúc ACB g ầ g ần n như nh ư trùng trùng nhau, ta đường thẳ đường gấ có thể thể coi d dmax:
Mà:
2222 √ 22 1 2 → √ 22 1 2
Ta tìm được: được:
(4.46)
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 97 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
(4.47)
Ta có thể thể áp dụng công thứ thứ c giao thoa bằ bằng cách thay các độ cao độ cao h1 và h2 trong biể biểu thứ thứ c hàm giao thoa bằ bằng h1’ và h2’ để tính trường ng tạ tại điểm thu. để tính trườ Ví dụ dụ 4.3: Cho mộ một tuyế tuyế n liên lạ lạc vô tuyế tuyế n có anten phát cao 100m, anten thu cao 10m, độ lợi anten phát là 20 dB, công suấ suấ t phát 50W, cự cự ly ly thông tin 12km, t ầ t ần n số sóng truy ề truy ền n 150MHz. a. Xác định t ầm m nhìn thẳ thẳng củ của tuyế tuyế n liên lạ lạc. Từ Từ đ mặt đấ t được định t ầ đó xác định định mặ được xem là phẳ phẳng hay c ầu. ầu. b. Tìm cườ cường ng độ tr ng tạ tại anten thu. độ trườ ường Giả Giải a.
4,124 , , 4,124√ 24√ 100√ 100 √ 1010 54,28
d = 12 km > 0,2dmax = 10,86 km mặ mặt đấ t được như mặ mặt c ầu. được xem như ầu. b.
12 10,91 12 1,091 10100 ,..... 93 10 ,..... 9,93 20 → 100 2 0,077
TRANG 98| 98| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
, → √ 15, 6 10 /
4.4 TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG BẰ BẰNG PHẢ PHẢN XẠ TRÊN T ẦNG ẦNG ĐIỆN LY. 4.4.1 Cấ u tạ tạo t ầng ầng điện ly T ầng quyển, độ cao ầng điện ly là mi ền ền ion hóa khí quyể độ cao 60km 1000km.
4.4.1.1 Quá trình ion hóa (Ionization) Quá trình ion hóa xả xảy ra khi các tia cự cự c tím mang nă năng lượng ượng đi vào t ầng ầng điện ly của b ầ b ầu u khí quyể quyển, tác động tử khí khí làm các electron ở lớ lớp ngoài cùng động vào các nguyên tử bứ c phá ra khỏ khỏi nguyên tử tử tạ tạo thành các electron tự tự do do mang điện tích âm. Trong khi tử trở trở nên dươ dương ng hơ hơn (gọ (gọi là ion dươ dương). ng). Quá trình này gọ g ọi là quá trình ion đó nguyên tử hóa. Các electron âm tự tự do do này sẽ sẽ hấ hấ p thụ thụ nă năng lượ lượng ng củ của các tia cự cự c tím và càng làm cho nó đi ra xa hơ hơn các nguyên tử tử củ của nó. Và khi các tia cự cự c tím tiế tiế p tụ tục làm sả sản sinh ra các ion dươ dương ng và electron âm thì cườ cường ng độ c lại giả giảm đi bở bởi vì sự sự hấ hấ p độ củ ủa các tia này lạ thu nă năng lượ lượng ng củ của các electron tự tự do, do, do đó các lớ lớp ion hóa hình thành. Tố c độ ion xảy ra còn phụ phụ thuộ thu ộc vào mậ mật độ c tử trong trong b ầ b ầu u khí độ ion hóa xả độ củ ủa các nguyên tử quyể quyển và cườ cường ng độ c cự c tím. Vì b ầ b ầu u khí quyể quyển được nhữ ng ng độ củ ủa các tia sóng cự được làm đầy đầy bằng nhữ tia sóng cự cự c tím có t ần số khác khác nhau do đó các lớ lớp ion hóa cũ cũng được ần số được hình thành ở độ cao khác nhau. Nhữ Nhữ ng ng tia sóng cự cự c tím có t ầ t ần n số số thấ thấ p xuyên qua b ầ b ầu u khí quyể quyển ít hơ hơn nên chúng tạ tạo ra các lớ lớp ion hóa ở độ cao hơn và ngượ ngượcc lại. Một yế u tố quan quan trọ trọng độ cao hơ trong việ việc quyế quyế t định mật độ c lớp ion hóa nữ nữ a là do góc ngẩ ngẩng củ của mặ mặt trờ trời so định mậ độ củ ủa các lớ với mặ mặt đấ t. t. Góc này luôn luôn thay đổi của lớ lớp ion hóa cũ cũng thay đổi nên độ cao độ cao và độ dày độ dày củ phụ thuộ thuộc vào thờ thời gian trong ngày và mùa trong nă năm. đổi đổi và phụ
4.4.1.2 Quá trình tái hợ hợ p (recombination) Là quá trình mà các electron tự tự do do và ion dươ dương ng kế kế t hợ hợp lạ lại vớ với nhau. Quá trình này phụ phụ thuộ thuộc vào thờ thời gian củ của ngày. Từ Từ lúc lúc sáng đế n chi ều tố i, i, tố tố c độ ion vượtt quá ều tố độ ion hóa vượ tố c độ tái hợp, lúc đó các lớ lớp ion hóa đạt tố c độ c dụng rấ rấ t lớ lớn độ tái hợ đạt được được tố độ cự ự c đại đại nên có tác dụ
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 99 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
việc truy ền tuyế n. n. Vào ban đêm, tố tố c độ tái hợp lạ lại vượ vượtt quá tố tố c độ ion đế n việ ền sóng vô tuyế độ tái hợ độ ion hóa nên mậ mật độ c lớp ion hóa giả giảm. độ củ ủa lớ
4.4.1.3 Các lớ lớ p ion hóa B ầu quyển phân chia thành 3 lớ lớp D, E, F từ từ độ cao thấ p nhấ nhấ t đế n độ cao lớn ầu khí quyể độ cao thấ độ cao lớ nhấ nhấ t. t. Lớ Lớp F cũ cũng được lớp nữ nữ a là F1, F2. Sự Sự vắ vắng mặ mặt hay hiệ hiện diệ diện củ của được chia thành hai lớ các lớ lớp trong t ầ t ầng ng điện ly phụ phụ thuộ thuộc vào vị vị trí củ của mặ mặt trờ trời:
Lớp D nằm ở độ cao độ cao 60km
90km
hấ hấ p thụ thụ sóng trung và sóng ngắ ng ắn; phả phản xạ xạ
sóng dài. Vào ban đêm, lớ lớp D bị bị biế biế n mấ mấ t bở bởi vì sự sự tái tái hợ hợp củ của ion xả xảy ra nhanh.
Lớp E từ trên trên lớ lớp D 160km ít thay đổi thời gian ban ngày. Nó có khả kh ả nă năng đổi theo thờ
phả phản xạ xạ sóng trung và sóng ngắ ngắn. Sóng cự cự c ngắ ngắn bị bị hấ hấ p thụ thụ mạ mạnh.
Lớp F từ từ 160km 160km 500km biế biế n thiên mạ mạnh giữ giữ a ngày và đêm. Nó phả phản xạ xạ sóng
ngắ ngắn do đó được ng dụ dụng trong truy ề truy ền n tin sóng ngắ ngắn. được ứ ng truy ền n sóng trong t ầ t ầng ng điện ly không ổn định, thường ng xảy ra hiệ hiện Đường Đường truy ề định, do đó thườ tượng ngắn có hiệ hiện tượ tượng ng cườ cường ng độ tr ng tổ tổng hợ hợp dao động ượng fading. Khi thu sóng ngắ độ trườ ường động khi lớn khi nhỏ nhỏ nguyên nhân là do có sự sự giao giao thoa giữ giữ a nhữ nhữ ng ng sóng tớ tới điểm thu bằ bằng nhữ nhữ ng ng con đường của các sóng tớ tới sẽ sẽ khác nhau. đường khác nhau nên pha củ
Hình 4.7 – Các lớ lớp ion hóa trong t ầ t ầng ng điện ly
TRANG 100| 100| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Sự biế biế n thiên liên tụ tục củ của mậ mật độ điện tử tử trong trong t ầ t ầng ng điện ly cũ cũng làm cho điểm phả phản xạ thay đổi tục thay đổi hiệu pha đổi liên tụ đổi độ dài độ dài đường đường đi của các tia sóng thay đổi đổi hiệ giữ giữ a chúng cường ng tổ t ổng dao động. Bởi lý do này mà các tuyế tuyế n thông tin ường độ tr độ trườ ường động. Bở c ần chấ t lượ lượng ng cao phả phải sử sử dụ dụng dạ dạng thu phân tậ tập (deversity): có các anten thu đặt ần chấ đặt cách nhau hoặ hoặc sử sử dụ dụng vài t ầ t ần n số số khác khác nhau.
4.4.2 Đặc Đặc tính t ầ t ầng ng điện ly Do sự sự có có mặ m ặt củ của các điện tử tử và và ion nên thông số số điện môi củ của môi trườ trường ng khí ion hóa g ồm cả hệ h ệ số s ố điện môi và điện dẫ dẫn suấ suấ t. t. Nhữ Nhữ ng ng tham số số này này quyế quyế t định ồm cả định các tính chấ chấ t khúc xạ xạ và hấ hấ p tụ tụ đố i vớ với sóng vô tuyế tuyế n. n. Giả Giả sử sử sóng sóng phân cự cự c thẳ thẳng truy ền chấ t khí ion hóa đồng nhấ t có mậ mật độ điện ền trong chấ đồng nhấ
tử là là N; trùng vớ với hướ hướng ng trụ trục z và trườ trường ng đi ều ều hòa. Khi không tính đế n va chạ chạm: điện thẩ thẩm ’ được được tính:
Trong đó:
1
(4.48)
N: mậ mật độ electron độ electron [m-3] q: điện tích electron = 1,6x10-19 [C] 0:
hằ hằng số số đ tự do do = 8,854 x 10-12 [F/m] điện môi trong không gian tự
m: khố khố i lượ lượng ng electron = 9,11x 10-31 [kg] :
t ầ t ần n số số góc góc củ của sóng [rad/s]
=
0: không xét đế n ảnh hưở hưởng ng củ của sự sự va va chạ chạm, tổ tổn hao = 0.
Thay các giá trị trị trên ta có:
1 81
(4.49)
Dễ dàng thấ thấ y rằ r ằng, ứ ng ng vớ với mậ mật độ điện tử tử N N nhấ nhấ t định, th ể tìm được t ần n số số định, ta có thể được t ầ hệ số số đ tương ng đố i = 0. N sao cho hệ điện môi tươ
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 101 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
→ 9√ 1 1 √
(4.50)
T ần số này này được gọi là t ần số plasma. plasma. ần số được gọ ần số
Khi < N thì ’ 0. Khi đó chiế chiế t suấ suấ t môi trườ trường: ng: n = truy ền (hệ số số pha) pha) ền sóng (hệ
(4.51) sẽ sẽ là mộ một số số ảảo và hệ hệ số số
cũ cũng là mộ một số số ảảo. Khi ấ y biể biểu thứ thứ c trườ trường ng sẽ sẽ không
có dạ dạng truy ền dạng suy giả giảm theo hàm mũ mũ âm; ngh ĩ ngh ĩ a là sóng vớ với t ầ t ần n số số ền lan mà có dạ <
N
không thể thể lan truy ền trường ng này được bị phả phản xạ xạ v ề v ề m mặặt đấ t. t. Khi ền trong môi trườ được mà bị
> N
sóng truy ề truy ền n xuyên qua t ầ t ầng ng điện ly.
Khi không có sự sự va va chạ chạm củ của điện tử t ử vớ v ới các hạ hạt khác thì nă năng lượ l ượng ng mà các điện tử nhậ nhận được sẽ được bảo toàn và bứ bứ c xạ xạ hoàn toàn lạ lại. Khi ấ y môi trườ trường ng có tính chấ chấ t được sẽ được bả như như mộ một điện môi lý tưở tưởng. ng. Thự Thự c tế tế , trong t ầ t ầng ng điện ly luôn xả xảy ra sự sự va va chạ chạm củ của điện tử vớ với các phân tử tử và và ion do sự sự chuyể chuyển động nhiệt hỗ hỗn loạ loạn củ của các phân tử tử và và ion gây động nhiệ ra. Khi va chạ chạm, các điện tử tử sẽ sẽ trao cho các phân tử t ử và và ion ph ần năng lượ lượng ng mà chúng ần nă nhậ nhận được sẽ chuyể chuyển hóa thành nă năng lượng được từ sóng điện từ . Ph ần ần năng lượng ượng này sẽ ượng chuyể chuyển động nhiệt củ của các hạ hạt. Đi ều sẽ dẫ dẫn đế n sự sự hấ hấ p thu sóng trong chấ chấ t khí ion động nhiệ ều đó sẽ hóa. Mứ Mứ c độ h bởi trị trị số số đ dẫn suấ suấ t củ của môi trườ trường. ng. độ hấ ấ p thu được được đánh giá bở điện dẫ giản, ta giả giả sử sử sau sau mỗ mỗi l ần chạm, điện tử tử sẽ sẽ trao lạ lại cho phân tử tử toàn toàn bộ bộ Để đơn đơn giả ần va chạ năng lượ lượng ng củ của nó. Gọ Gọi là t ần số va va chạ chạm thì hệ hệ số số đ dẫn suấ suấ t củ của môi ần số điện môi và điện dẫ trườ trường ng là:
112,82.3,3,19.1109.1010
Vì ’ và là mộ một hàm củ của
(4.52)
nên đặc của t ầng t ần n số số đặc tính củ ầng điện ly thay đổi đổi theo t ầ
của sóng. Giả Giả sử một sóng phẳ phẳng truy ền lớp ion có mậ mật độ điện tử N tăng theo ền vào lớ chi ều t ần n số số đạt tới độ cao ều cao. Khi sóng có t ầ đạt tớ độ cao mà ở đó N đủ l đủ lớ ớn để làm để làm cho ’ = 0 thì sóng không truy ề truy ền n được nữ a mà phả phản xạ xạ ngượ ngượcc v ề v ề m mặặt đấ t. t. được nữ
TRANG 102| 102| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
4.4.3 Khúc xạ xạ và phả phản xạ xạ trong t ầ t ầng ng điện ly Mật độ điện tử tử trong trong t ầng biế n đổi số v ề v ề điện ầng điện ly biế đổi theo độ cao, độ cao, do đó các thông số của nó theo độ cao cũng bị biế biế n đổi. trở thành môi trườ trường ng không đồng độ cao cũ đổi. T ầng ầng điện ly trở đồng nhấ nhấ t và khi truy ền trường ng ấ y, y, quỹ quỹ đạo sẽ bị bị uố uố n cong đi và có thể thể ền sóng trong môi trườ đạo sóng sẽ phả phản xạ xạ v ề m t. ề mặặt đấ t. Giả Giả sử sử t t ầng chấ t biế biế n đổi mặt phẳ phẳng song ầng điện ly có các tính chấ đổi theo độ cao, độ cao, còn trong mặ song vớ với mă m ăt đấ t các tính chấ chấ t củ c ủa nó không biế biế n đổi. t ầng ng điện ly thành các đổi. Ta chia t ầ lớp mỏ mỏng, trong mỗ mỗi lớ lớp ấ y hệ hệ số s ố điện môi được hằng số số . Ở mặ mặt phân giớ giới giữ gi ữ a được coi là hằ hai lớ lớp sẽ sẽ có sự sự khúc khúc xạ xạ sóng. 3 2 1 0
1
1
0
h0
Hình 4.8 – Các lớ lớp có hệ hệ số số đ hằng số số điện môi là hằ : : chiế chiế t suấ suấ t củ của môi trườ trường. ng.
Áp dụ dụng định luật khúc xạ xạ đố i vớ với bờ bờ 1 ta có: định luậ
→ ⋯
(4.53)
Áp dụ dụng định luật khúc xạ xạ cho các bờ bờ tiế tiế p theo: định luậ
(4.54)
Biế Biế t rằ rằng trong t ầ t ầng ng điện ly; giả giảm d ần từ (4.54) (4.54) ta thấ thấ y sẽ sẽ tă tăng ần theo độ cao độ cao nên từ d ần, ngh ĩ a là góc tớ tới củ c ủa sóng ở mỗ mỗi lớ l ớp sẽ s ẽ lớ l ớn d ầ d ần. n. Sóng liên tụ tục bị bị khúc xạ xạ qua các ần, ngh ĩ lớp và ở mộ một độ cao thể sẽ sẽ phả phản xạ xạ trở trở v ề m t. độ cao nào đó có thể ề mặặt đấ t. Ta tìm quan hệ hệ giữ giữ a mậ mật độ điện từ từ , góc tớ tới củ của sóng ở bờ bờ dướ dướii cùng củ của t ầng ầng điện ly và t ần số công công tác trong trườ tr ường ng hợ hợp xả xảy ra nộ nội phả phản xạ xạ trong t ầ t ầng ng điện ly: ần số
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 103 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Góc tớ tớ i: i: Khi xả xảy ra phả phản xạ xạ trong t ầng tại lớ lớp n: n = /2 ầng điện ly tạ
Hình 4.9 – Mô tả tả quá trình phả phản xạ xạ trong t ầ t ầng ng điện ly Từ (4.54): (4.54):
Hay:
181 1 81
(4.55)
(4.56)
Giả Giả sử sử hệ hệ số số đ của môi trườ trường ng bên dướ dướii t ầng điện môi củ ầng điện ly 0’ = 1: (4.57)
Như Như vậ v ậy vớ v ới mậ mật độ điện tử t ử N N nhấ nhấ t định của t ầ t ầng ng điện ly ứ ng ng vớ v ới mộ m ột t ầ t ần n số số f f cho định củ trướ trước, c, sóng chỉ chỉ có thể thể phả phản xạ xạ trở trở v ề v ề được tới có trị trị số số bằ bằng hoặ hoặc lớ lớn hơ hơn trị trị được khi góc tớ số 0 xác định từ (4.57). (4.57). định từ T ần ần số số :
TRANG 104| 104| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Với mộ m ột góc 0 cho trướ trướcc (góc này được b ởi cự c ự ly ly thông tin và chi ều được định định bở ều cao t ầng ầng mật độ điện tử tử N N củ của t ầng biế t thì ta có thể thể xác định số điện ly) và mậ ầng điện ly đã biế định được được t ần ần số lớn nhấ nhấ t mà vớ với t ần số ấ thể phả phản xạ xạ trở trở v ề (t ng vớ với N nói trên). ần số ấ y sóng có thể ề (tạại độ cao độ cao ứ ng
1 1 181 1 81 81 √ 9√
(4.58)
Khi sóng tớ tới thẳ thẳng góc vớ với t ầng trở thành: ầng điện ly (0 = 0) thì (4.58) trở (4.59)
Liên hệ hệ giữ giữ a (4.58) và (4.59):
(4.60)
Với hàm sec = 1/cos. Phươ Phương ng trình (4.60) là phươ phương ng trình củ của định luật Secant. định luậ Biế Biế t rằ r ằng mỗ mỗi lớ lớp ion hóa củ của t ầ t ầng ng điện ly có mộ một độ cao. T ần n số số cự cự c đại của sóng độ cao. T ầ đại củ có thể thể phả phản xạ x ạ được t ại độ cao ng vớ với mậ mật độ điện tử t ử N N max khi sóng tớ tới theo phươ phương ng được tạ độ cao ứ ng thẳ thẳng đứ ng ng được gọi là t ần số tớ tới hạ hạn củ của lớ lớp. được gọ ần số
9
(4.61)
(4.62)
T ần số lớ lớn nhấ nhấ t củ của sóng có thể thể phả phản xạ xạ được ng vớ với mậ mật độ điện tử tử cự cự c đại ần số được ứ ng đại Nmax khi sóng đế n với góc tớ tới xiên được khả dụng cự c đại được gọi là t ần ần số khả đại (MUF - Maximum usable frequency).
Độ cao Độ cao biể biể u kiế kiế n (virtual height):
Nế u kéo dài tia tớ tới và tia phả phản xạ xạ gặ gặp tạ tại mộ một điểm có độ cao độ cao h; thì độ cao độ cao này được được gọi là độ cao biểu kiế kiế n củ của t ầng độ cao biể ầng điện ly. biểu kiế kiế n dùng xác định trị cự cự c đại của góc tớ tới i và cự cự ly ly thông tin. Độ cao Độ cao biể định giá trị đại củ
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 105 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Khi mặ mặt đấ t xem là phẳ phẳng (cự (cự ly ly thông tin 0,2dmax):
:
góc ngẩ ngẩng
(4.63)
h: độ cao biểu kiế kiế n (là độ cao của giao điểm giữ giữ a tia tớ tới và tia phả phản xạ xạ cuố cuố i cùng) độ cao biể độ cao củ Khi kể kể đế n độ cong của mặ mặt đấ t: t: độ cong củ
22
(4.64)
4.5 CÁC MÔ HÌNH THỰ THỰ C NGHIỆ NGHIỆM KHI TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỘNG Trong thông tin di động, tuyế n được trường ng vậ vật lý có nhi ều động, sóng vô tuyế được truy ền ền qua môi trườ ều cấ u trúc khác nhau như như tòa tòa nhà, xe cộ cộ, rừ r ừ ng ng cây, núi, biể biển, … Quá trình truy ề truy ền n sóng này rấ rấ t phứ phứ c tạ tạp và sẽ sẽ xả xảy ra hiệ hiện tượ tượng ng đa đường, mỗi đường sẽ có hiệ hiện đường, trên mỗ đường truy ền ền sẽ tượng xạ, nhiễ nhiễu xạ xạ, phả phản xạ xạ, khúc xạ xạ. ượng tán xạ
Hình 4.10 – Truy ền ền sóng trong thông tin di động động
TRANG 106| 106| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Hình 4.11 – Các hiệ hiện tượ tượng ng trên kênh truy ề truy ền n
Phả Phản xạ x ạ (Reflection): (Reflection): xuấ xu ấ t hiệ hi ện khi tia sóng gặ g ặp mặ m ặt chắ ch ắn dẫ d ẫn có kích thướ thướcc so sánh được được vớ v ới bướ bướcc sóng như như các các b ề b ề m mặặt kim loạ loại hay mặ mặt đấ t, t, hệ hệ số phả phản xạ xạ là tỷ tỷ số số giữ giữ a tia phả phản xạ xạ và tia tớ t ới luôn nhỏ nhỏ hơ hơn 1. Nế Nế u mặ mặt phả phản xạ dẫ dẫn hoàn toàn thì hệ h ệ số số phả phản xạ xạ bằ bằng 1.
Hình 4.12 – Phả Phản xạ xạ Khúc xạ xạ (Refraction): hiệ hiện tượng xạ xuấ xuấ t hiệ hiện khi tia sóng truy ề truy ền n từ một ượng khúc xạ môi trườ trường ng này sang mộ một môi trườ trường ng khác.
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 107 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Hình 4.13 – Khúc xạ xạ
Hình 4.14 – Nhiễ Nhiễu xạ xạ
Hình 4.15 – Tán xạ xạ
TRANG 108| 108| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T Ầ T ẦN N
Nhiễ Nhiễu xạ xạ (Diffration): xu (Diffration): xuấ t hiện tại cạnh chắn của vật thể có kích thước có thể so sánh được với bước sóng, tia sóng b ị uố n cong theo độ cong của b ề mặt vật chắn. Tán xạ xạ (scattering): xuấ t hi ện khi tia sóng gặp vùng bấ t đồng nhấ t hay các vật thể có kích th ước bé hơn nhi ề ều so với bước sóng. Ngoài ra, khi giữ a máy phát và máy thu có s ự d dịch chuyển tương đố i thì t ần số thu thu khác biệt so với t ần số phát phát của sóng mang. Hiện tượng này được gọi là được có sự khác hiệu ứ ng ng Doppler. Ta định ngh ĩ a góc tới là góc hợp bởi phương chuyển động và phương của sóng tới, v là vận tố c tương đố i giữ a thiế t b ị di động và trạm gố c, c, d là quãng đường di chuyển, l là chêch l ệch v ề khoảng cách. Δ Δt
(4.65)
Độ lệch pha: Δφ
Δ
(4.66)
Hình 4.16 – Hiệu ứ ng ng Doppler Độ dịch t ần:
(4.67)
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 109 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
m ột đường một số số mô mô hình Để mô Để mô hình hóa mộ đường truy ền ền trong thông tin di động, động, ta dùng mộ thự thự c nghiệ nghiệm sau:
4.5.1 Mô hình Okumura Mô hình Okumura thườ thường ng sử sử dụ dụng cho thông tin trong vùng thành phố ph ố và và t ần số sử sử ần số dụng trong khoả khoảng từ t ừ 150 150 MHz đế n 1920 MHz, khoả khoảng cách truy ề truy ền n từ t ừ 1 1 đế n 100 km và độ cao từ 30m 30m đế n 1000m. Suy hao đường truy ền n củ của mô hình Okumura cho độ cao anten từ đường truy ề bởi phươ phương ng trình:
Hình 4.17 – Đường biểu diễ diễn Amu theo f,d Đường cong biể Lm(dB) = L0 + Amu(f,d) – G(hBTS) – G(hMS) – Garea
(4.68)
L0 : tổ tổn hao trong không gian tự tự do do (tính theo (4.17)). Amu(f,d) : tổ tổn hao môi trườ trường ng tươ tương ng đố i (so sánh vớ với môi trườ trường ng chân không).
TRANG 110| 110| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
G(hBTS) : Độ l của chi ều trạm gố gố c: c: Độ lợ ợi củ ều cao anten trạ
Gh 20l20 log/200 GGhh 10l20l1020 lloogg/3/3 3 310
(4.69)
G(hMS): Độ l của thiế thiế t bị bị di động. Độ lợ ợi chi ều ều cao củ động.
(4.70)
Hình 4.18 – Đường biểu diễ diễn Garea theo f Đường cong biể Garea: hệ hệ số số làm làm đúng do đặc của môi trườ trường ng truy ền dẫn. đặc điểm củ ền dẫ Các đường gọi là đường như mô mô tả tả trong Hình đường cong Amu(f,d) và Garea được được gọ đường Okumura như 4.17 và Hình 4.18. Ví dụ dụ 4.4: Xét hệ hệ thố thố ng ng thông tin di động động dùng mô hình Okumura có:
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 111 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN -
Trạ Trạm gố gố c cao hBTS = 80m. Công suấ suấ t phát 1kW và độ l độ lợ ợi anten phát là 2 dB. Thiế Thiế t bị bị di động với độ l trạm gố gố c 50km. động ở độ cao độ cao hMS = 5m vớ độ lợ ợi 1 dB và cách trạ Hệ thố thố ng ng sử sử dụ dụng t ần số 900 900 MHz, phủ phủ sóng trong vùng ngoạ ngo ại ô. ần số
Xác định suấ t tạ tại anten thu. định công suấ Giả Giải Theo Hình 4.17, Amu(900MHz,50km) = 43 dB. Theo Hình 4.18, Garea = 9 dB.
Gh 20l20 log/200 7,96 Gh 20l20 log/3 4,44 32,32,5 20l20log 20 20llog 125,56
hBTS = 80m hMS = 5m
f = 900 MHz, d = 50 km
Suy hao củ của tuyế tuyế n liên lạ lạc:
Lm(dB) = L0 + Amu(f,d) – G(hBTS) – G(hMS) – Garea = 163,09 dB Công suấ suấ t tạ tại anten thu:
133,09
hay Pr = 0,05 pW.
4.5.2 Mô hình Hata
Mô hình Hata có t ầ t ần n số s ố sử s ử dụ d ụng trong khoả khoảng từ t ừ 150 150 MHz đế n 1500 MHz, khoả khoảng cách truy ền từ 1 1 đế n 20 km. Suy hao đường phố củ của mô hình ền từ đường truy ền ền trong vùng thành phố Hata cho bở bởi phươ phương ng trình: Lm(Urban)(dB) = 69,55 + 26,16log10(f) – 13,82log10(hBTS) – a(hMS) + (44,9 – 6,55log(hBTS))log10(d )
(4.71)
a(hMS) = 8,29(log10(1,54hMS))2 – 1,1 dB vớ với f < 300 MHz
(4.72)
a(hMS) = 3,2(log10(11,75hMS))2 – 4,97 dB vớ với f > 300 MHz
(4.73)
Với thành phố phố lớ lớn:
Với thành phố phố nhỏ nhỏ và vừ vừ a: a: a(hMS) = (1,1log10(f ) – 0.7)hMS - (1,56log10(f ) - 0,8) dB Vùng ngoạ ngoại ô và nông thôn:
(4.74)
TRANG 112| 112| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
Lm(Suburban)(dB) = Lm(Urban)(dB) - 2[log(f/28)]2 – 5.4
(4.75)
Lm(open)(dB) = L m(Urban)(dB) - 4.78[log(f)]2 + 18.33log(f) - 40.98
(4.76)
Ví dụ dụ 4.5: Xét quá trình truy ề truy ền n sóng trong thông tin di động động dùng mô hình Hata: -
Anten trạ trạm gố gố c có độ cao độ cao hBTS = 80m
-
Thiế Thiế t bị bị di động động có độ cao độ cao hMS = 1,5m và độ l độ lợ ợi anten 1 dB
-
Anten phát vớ với công suấ suấ t 1 kW và độ l độ lợ ợi anten phát 10 dB.
-
Khoả Khoảng cách giữ giữ a BTS và MS là d = 15km.
-
T ần số hoạ hoạt động ần số động 900 MHz.
a. Xác định suấ t tạ tại anten thu khi vùng phủ phủ sóng là thành phố phố (vừ (vừ a). a). định công suấ b. Cho máy di động chấ t lượ lượng ng nghe được với công suấ suấ t thu là -80 dBm. Xác định động có chấ được vớ định khoả khoảng cách cự cự c đại giữ a BTS và MS cho vùng phủ phủ sóng là thành phố phố (vừ (vừ a). a). đại giữ Giả Giải a. a(hMS) = (1,1log10(f ) – 0.7)hMS - ( 1,56log10(c ) - 0,8) = 0,016 dB Thế Thế vào vào (4.71): Lm(Urban) = 158,66 dB Công suấ suấ t tạ tại anten thu:
117,66
hay Pr = 1,71 pW.
b. Pr = -80 dBm Pr = -110 dB Lm = 151 dB
Lm(dB) = 69,55 + 26,16log10(f) – 13,82log10(hBTS) – a(hMS) + (44,9 – 6,55log(hBTS))log10(d ) = 120,52 + 32,43log10d = 151 d = 8,7 km
4.5.3 Mô hình Walfisch - Ikegami Mô hình này thể thể hiệ hiện sự phụ phụ thuộ thuộc vào 4 thông số số : độ cao b ề rộng con độ cao toà nhà, b ề khoảng cách giữ giữ a các tòa nhà, hướ hướng ng của con đường với hướng đường, đường, khoả đường so vớ ướng của tia truy ền ền sóng.
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 113 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
d
BS
h
h
BTS
hroof
MS
MS hướng truy ền n sóng ướng truy ề
MS
hMS
w b
Hình 4.19 – Các thông số số trong trong mô hình Walfisch - Ikegami Suy hao đường đường truy ền: ền: Lm = L0 + Lrts + Lmsd
nế u Lrts + Lmsd > 0
Lm = L0
nế u Lrts + Lmsd < 0
(4.77)
Lrts: tổ tổn hao do nhiễ nhiễu xạ xạ và tán xạ xạ bở bởi các nóc tòa nhà (root-to-street diffraction and scattering loss) Lrts = -16,9 -10log10(w) + 10log10(f) + 20log10hMS + Lori
(4.78)
Lori: hệ số hi chỉnh do hướ hướng ng đường truy ền n (correction factor for street orientation) ố hiệệu chỉ đường truy ề Lori = -10 + 0,354()
với 00 < < 350
2,5 + 0,075( – 350)
với 350 < < 550
4,0 – 0,114( – 550)
với 550 < < 900
(4.79)
Lmsd: tổn hao nhiễ nhiễu xạ nhi ều ều t ầng ầng (multiscreen diffraction loss due to rows of buildings) Lmsd = Lbsh + ka + kdlog10(d) + kf log log10(f) – 9log10(b) Lbsh = -18log10[1+(hBTS – hroof )] )]
(4.80)
khi hBTS > hroof
= 0
khi hBTS hroof
ka = 54
khi hBTS > hroof
= 54 – 0,8(hBTS – hroof )
khi hBTS hroof và và d 0,5 km
= 54 – 0,8(hBTS – hroof )d/2 )d/2
khi hBTS hroof và d < 0,5 km
(4.81)
(4.82)
TRANG 114| 114| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
kd = 18
khi hBTS > hroof
= 18 – 15(hBTS – hroof )/h )/hroof kf = -4 + 0,7(f/925 –1)
khi hBTS hroof
(4.83)
cho thành phố phố nhỏ nhỏ và vừ vừ a
= -4 +1,5(f/925 –1)
cho thành phố phố lớ lớn
(4.84)
Ví dụ d ụ 4.6: Xét quá trình truy ề truy ền n sóng trong môi trườ trường ng thông tin di động động dùng mô hình Walfisch – Ikegami (mô hình thành phố phố nhỏ nhỏ): -
Khoả Khoảng cách truy ền ền 3km. T ần số hoạ hoạt động ần số động 1 GHz. Chi ều rộng đường ều rộ đường w = 15m Khoả Khoảng cách giữ giữ a 2 toà nhà b = 25m. hBTS = 30m, hroof = = 25m, hMS = 1,5m Góc lệ lệch = 200. Công suấ suấ t phát là 100 W, độ l độ lợ ợi anten phát 10 dB, độ l độ lợ ợi anten thu 10 dB.
Xác định suấ t tạ tại anten thu. định công suấ Giả Giải =
200 Lori = -10 + 0,354() = -2,92 dB
Lrts = -16,9 -10log10(w) + 10log10(f) + 20log10hMS + Lori = 25,84 dB hBTS = 30m, hroof = = 25m
Lbsh =
-18log10[1+(hBTS – hroof )] )] = -14, ka = 54, kd = 18,
kf = = -4 + 0,7(f/925 –1) = -3,94 Lmsd = Lbsh + ka + kdlog10(d) + kf log log10(f) – 9log10(b) = 24,17 dB
32,32,5 20l20log 20 20llog 102,04 112,05 f = 1000 MHz, d = 3 km
Lrts + Lmsd > 0 Lm = L0 + Lrts + Lmsd = 152,05 dB
Công suấ suấ t tạ tại anten thu:
hay Pr = 6,23 pW.
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 115 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
TÓM TẮ TẮT Bài này gi ớ n: trong không gian t ự do, t ầng ới thi ệu các quá trình truy ền sóng vô tuy ế ế n: ự do,
đố i l ư ưu, , t ầng đ i ườ ng u i ện ly và môi tr ườ ng thông tin di động. ự do Quá trình truy ền sóng trong không gian t ự do đượ c tính toán theo công thứ c (4.16) và (4.17). Khi truy ền sóng trong t ầng đố i l ư u ng c ủa mặt đấ t, t, nên sóng thu đượ c ưu, , do có ảnh hưở ng bao gồm sóng phản x ạ t ừ ừ mặt đấ t và sóng t ớ ớ i tr ự ực ti ế ế p (mặt đấ t xem như phẳng). Trong tr ườ ng hợ p khoảng cách đủ l ớ n, quá trình tính toán phải xem mặt đấ t như m mặt ườ ng ớ n, c ầu. Khi đ ó phải hi ệu chỉ nh nh độ cao anten để th thự c hi ện tính toán t ươ ng t ự như m mặt đấ t ươ ng ự nh phẳng. Quá trình truy ền sóng trong t ầng đ i iệ n ly d ự ựa vào đặc tính phản x ạ c ủa sóng. T ần số hoạt động và góc t ớ nh luật Secant. ới c ủa sóng quan hệ theo đị nh Khi truy ền sóng trong môi tr ườ ng thông tin di động, các mô hình th ự c nghi ệm đượ c ườ ng gi ớ ớ i thi ệu là mô hình Okumura, mô hình Hata và mô hình Walfisch – Ikegami.
TRANG 116| 116| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
CÂU HỎ HỎI ÔN TẬ TẬP Câu 1: Một tuyế tuyế n chuyể chuyển tiế tiế p sóng viba hoạ hoạt động số 10GHz. 10GHz. Công suấ suấ t phát động ở t ần ần số 5W. Độ l Giả sử s ử anten anten có độ l Khoảng cách giữ giữ a hai Độ lợ ợi anten phát và thu 30dB. Giả độ lợ ợi là 1. Khoả trạ trạm là 30km. a. Tính cườ cường ng độ tr ng tạ tại điểm thu . So sánh vớ v ới trườ trường ng hợ hợp truy ền độ trườ ường ền trong không gian tự tự do do và giả giải thích sự sự khác khác biệ biệt này. b. Tìm độ cao hiệu cự cự c đại. độ cao anten thu và phát để thu để thu được được tín hiệ đại. Câu 2: Một máy phát sóng t ầ t ần n số s ố 300MHz 300MHz có công suấ suấ t phát là 1 kW. Anten phát có hệ hệ số số đị nh hướ hướng ng 10dB. Máy thu đặt h ệ số số đị nh định đặt cách máy phát 50km. Anten thu có hệ định hướng giố ng ng anten phát. Giả Giả sử s ử môi môi trườ trường ng đồng nhấ t có suy hao 80dB và không kể kể ướng giố đồng nhấ hưởng ng củ của mặ mặt đấ t. t. đế n ảnh hưở a. Xác định thiế t củ của máy thu. định độ nh độ nhạạy c ần ần thiế b. Giữ Giữ nguyên nguyên công suấ suấ t phát và độ nhạ nhạy máy thu ở câu a. Nế Nế u muố mu ố n tă t ăng cự ly thông tin thì ta phả ph ải tă tăng hay giả giảm t ần số phát? phát? Giả Giải thích tạ tại sao? ần số Câu 3: Một tuyế tuyế n liên lạ lạc viba hoạ hoạt động số 12GHz 12GHz công suấ suấ t phát 5W. Độ cao động ở t ần ần số Độ cao anten phát 50m. Độ l Cự ly ly thông tin liên lạ lạc 10km. Biế Biế t hiệ hiệu suấ suấ t Độ lợ ợi anten phát 30dB. Cự anten là 90%. a. Tìm độ cao của anten thu để thu hiệu cự cự c đại. độ cao củ để thu được được tín hiệ đại. b. Tính cườ cường ng độ tr ng tạ tại anten thu vớ với độ cao độ trườ ường độ cao anten thu tính ở câu a. c. Xác định hưởng ng chính lên tuyế tuyế n liên lạ lạc. định vùng đấ t ảnh hưở Câu 4: Một tuyế tuyế n liên lạ lạc có cự cự ly ly 2000Km. a. Phươ Phương ng thứ thứ c truy ền thể sử sử dụ dụng được tuyế n liên lạ lạc trên? ền sóng nào có thể được cho tuyế b. Nế u sử sử dụ dụng phươ phương ng thứ thứ c sóng phả phản xạ xạ ở t ầng t ần n số số phát phát phả phải là bao ầng điện ly thì t ầ nhiêu? Cho biế biế t sóng phả phản xạ xạ ở độ cao mật độ electron độ cao 250km và mậ độ electron ở độ cao độ cao này là 1011 [m-3]
BÀI 4: TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG VÔ TUYẾ TUY Ế N > TRANG 117 ANTEN - TRUYỀN SÓNG - SIÊU CAO T ẦN
Câu 5: Một tuyế tuyế n liên lạ lạc theo phươ phương ng thứ thứ c sóng t ầ t ầng ng đố i lư u có công suấ suấ t 1KW. T ần làm việ việc 100MHz. Hệ Hệ số định C ự ly ly thông tin ần số làm định hướng ướng anten thu và phát 10dB. Cự 50Km. Độ cao Biế t t ầng lư u có dN/dh = -4.10 -2. Độ cao anten phát và thu 50m. Biế ầng đố i lư a. Tính cườ cường ng độ tr ng tạ tại điểm thu. độ trườ ường b. Nế u không kể kể đế n ảnh hưở hưởng ng củ của khúc xạ xạ trong t ầ t ầng ng đố i lư lư u thì cườ cường ng độ tr ng độ trườ ường như như thế thế nào? nào? c. So sánh cự cự ly ly thông tin cự cự c đại thể có khi có ảnh hưở hưởng ng củ của khúc xạ xạ t ầ t ầng ng đố i đại có thể lư u và khi không có ảnh hưở h ưởng ng củ của khúc xạ xạ t ầ t ầng ng đố i lư l ư u vớ v ới độ cao độ cao anten phát và thu 50m. Câu 6: Một đài phát sóng ngắ ngắn theo phươ phương ng thứ thứ c phả phản xạ xạ t ầ t ầng ng điện ly hoạ hoạt động động t ần số 8MHz. 8MHz. Mậ Mật độ electron ần số độ electron ở độ cao độ cao 250km là 1011[m-3] a. Xác định ngẩng cự cự c đại của anten. định góc ngẩ đại củ thể phủ phủ sóng củ của đài phát. b. Xác định định vùng có thể
TRANG 118| 118| ANTEN - TRUY Ề TRUY ỀN N SÓNG - SIÊU CAO T T Ầ ẦN N
TÀI LIỆ LIỆU THAM KHẢ KHẢO 1. Lê Tiế Tiế n Thườ Thường, ng, Tr ầ Tr ần n Văn Sư , Truy ền sóng và Anten, NXB Đại Quố c gia Đại học Quố TPHCM. 2. Nguyễ Nguyễn Đứ c Chánh, Bài gi ảng K ỹ thuật Siêu cao t ần, Truy ền sóng và anten, Học ỹ thu việ viện Hàng Không Việ Việt Nam. 3. Robert E. Collin, Antenna and Radiowave Radiowave Propagation Propagation, ISBN 0-07-011808-6, McGraw Hill. 4. Thái H ồ H ồng ng Nhị Nhị, Tr ườ Học Kỹ Kỹ thuậ thu ật, ng đ i iệ n t ừ ườ ng ừ , Truy ền sóng và anten, NXB Khoa Họ 2006. 5. Vũ Đ ình Thành, Lý thuy ế Xuấ t Bả Bản Khoa Họ Học Sở K K ỹ Thuật Siêu Cao T ần, Nhà Xuấ ết C ơ ơ S ỹ Thu Kỹ Thuậ Thuật, 1997. 6. David M. Pozar, Microwave Engineering, Addison – Wesley Publishing Co., 1997. 7. Samuel Y. Liao, Microwave Circuit Analysis and Amplifier Design , Prentice Hall, 1987.