Truyền sóng
+ Không gian ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng– vùng Fresnel
- Nguyên lý Huygen: ta có thể xác định trường tại một điểm
bất kỳ trong không gian nếu ta biết được qui luật phân bố trường trên
một mặt kín S bất kỳ bao quanh nguồn bức xạ. Nguồn bức xạ này
được xem là nguồn bức xạ thứ cấp
37 trang |
Chia sẻ: thienmai908 | Lượt xem: 1274 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang nội dung tài liệu Anten & Truyền sóng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
1Telecommunications Program
ANTEN
&
TRUYỀN SÓNG
Dương Hiển Thuận
Mobile: 0918486000
E-mail: dhthuan@ptithcm.edu.vn
2Telecommunications Program
Mục đích:
Tìm hiểu các đặc điểm, tính chất cũng như ảnh hưởng của môi
trường vô tuyến đối với các mạng không dây (wireless), bản chất và
các thông số cơ bản của anten.
Nội dung:
- Truyền sóng: các khái niệm, công thức cơ bản trong truyền
sóng, đặc điểm của sóng truyền lan trong môi trường tầng đối lưu và
tầng điện ly.
- Anten : nguyên lý bức xạ, các thông số và đặc tính cơ bản
của anten, một số anten thường gặp và anten thông minh
Yêu cầu:
- Hiểu rõ về bản chất của sóng điện từ.
- Hiểu bản chất của kỹ thuật siêu cao tần
- Hiểu kỹ tóan học (giải tích và hình học)
- Hiểu về xác suất, thống kê
3Telecommunications Program
Tài liệu tham khảo:
[1] Antenna and Radiowave Propagation – Robert E. Collin – McGraw Hill 1986.
[2] Lý thuyết và kỹ thuật Anten – GS TS Phan Anh – Nhà xuất bản khoa học và kỹ
thuật Hà Nội – 1997.
[3] Antenna – John D. Kraus – McGraw Hill
[4] Antenna theory analysis and design – Constantine A. Balanis – Jhon Wiley &
Sons – 1997
4Telecommunications Program
Vấn đề thi cử:
+ Thi Viết (90 phút)
+ Thi giữa kỳ (không báo trước) được tính vào cuối kỳ (tỷ lệ theo qui
định)
+ Nhiều đề (được xem tất cả các loại tài liệu)
+ Tuyệt đối không được trao đổi khi thi (-2đ/lần)
+ Trong khi thi tài liêu ai nấy dùng, không được mượn bút, máy tính,
bút xóa,…
+ Khi hết giờ làm bài phải xếp gọn bài thi và không được viết bất cứ
nội dung gì (nếu bài thi không được xếp gọn hoặc còn chép nội
dung gì thì sẽ được cộng -2 điểm)
+ Không thi lần 3, đề thi lần 2 ở mức độ bằng hoặc khó hơn đề thi lần 1
+ Trong giờ học: điện thọai di động tắc họăc để chế độ rung
+ Mọi thắc mắc trao đổi trực tiếp qua email
5Telecommunications Program
Giới thiệu: Hệ thống viễn thông (Telecommunication system)
Nguoàn
Maõ Hoùa
Nguoàn
Maõ Hoùa
Keânh
Maùy Phaùt
Tx
Ñích
Giaûi Maõ
Nguoàn
Giaûi Maõ
Keânh
Nhieãu.
Keânh Truyeàn Maùy Thu
Rx
+ Convert from human readable
form (Speech, music, image,
video, text, data) à To
electronic form
+ Transmit over a distance
(between points A and B) via
some channel (electronic
pathway)
+ Convert back to human
readable form
• Fiber optics
• Free space (wireless)
• Wire (twisted pair)
• Coaxial cable
6Telecommunications Program
Truyền sóng
+ Môi trường truyền sóng
- Đất
- Khí quyển
Tầng đối lưu
Tầng bình lưu
Tầng điện ly
- Không gian giữa các hành tinh
+ Phân loại sóng điện từ
- Theo đặc tính điện-từ
- Theo băng sóng
- Theo phương thức truyền sóng
Đất
Đối lưu
Bình lưu
Điện ly
10 ¸ 12
12 ¸ 60
60 ¸ 20.000
7Telecommunications Program
Truyền sóng
E
H
không có E hay H theo
hướng truyền sóng
E
H có E (nhưng không có H) theo hướng truyền sóng
H có H (nhưng không có E) theo hướng truyền sóng
E
TEM
(Transverse Electromagnetic)
TM
(Transverse magnetic)
TE
(Transverse electric)
- Theo đặc tính điện-từ
8Telecommunications Program
Truyền sóng
- Phân cực sóng điện từ: thể hiện phương của véc tơ cường độ điện
trường dọc theo phương truyền sóng hay xét sự thay đổi phương
hướng của véc tơ cường độ điện trường theo thời gian
E2=E2mcos(wt +j2)
E1=E1mcos(wt +j1)
E
9Telecommunications Program
Truyền sóng
( )1 2
1 2
2 1 2
m m
k
E E
pj j- = +
=
1 2 kj j p- = ±
10
Telecommunications Program
Truyền sóng
11
Telecommunications Program
Truyền sóng
12
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Theo băng sóng
13
Telecommunications Program
Truyền sóng -Theo phương thức truyền sóng:
Transm
itter Receiver
Earth
Sky wave
Space wave
Ground wave
Troposphere
(0 - 12 km)
Stratosphere
(12 - 50 km)
Mesosphere
(50 - 80 km)
Ionosphere
(80 - 720 km)
14
Telecommunications Program
Truyền sóng
-Theo phương thức truyền sóng
+ Sóng đất (ground wave): sóng vô tuyến truyền là là mặt đất,
thường được phân cực đứng, thay đổi nhiều với đất có ảnh hưởng
lớn, đất có tính dẫn điện càng cao thì suy hao càng nhiều, truyền
tốt trên mặt nước, tần số càng tăng thì suy hao tăng không tốt với
những sóng có tần số lớn hơn 2MHz, độ tin cậy cao không bị ảnh
hưởng bởi sự thay đổi thời tiết trong ngày, mùa. Thường được
dùng trong vô tuyến hàng hải
15
Telecommunications Program
Truyền sóng
-Theo phương thức truyền sóng
+ Sóng không gian (space wave): sóng gồm những tia đến trực tiếp
và những tia gián tiếp. Tia trực tiếp giới hạn bởi chiều cao anten,
độ cong mặt đất, khoảng cách tuyến thường phải nhỏ hơn 80% tầm
nhìn thẳng
16
Telecommunications Program
Truyền sóng
-Theo phương thức truyền sóng
+ Sóng trời (sky wave): sóng phản xạ từ tầng điện ly, có thể truyền
từ anten phát đến anten thu bằng phản xạ ở tầng điện ly và mặt đất
nhiều lần, thường sử dụng ở băng tần HF
17
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Các hiện tượng trong tuyền
sóng
+ Phản xạ (Reflection): hiện
tượng phản xạ xuất hiện khi
tia sóng gặp mặt chắn dẫn có
kích thước so sánh được với
bước sóng như các bề mặt
kim loại hay mặt đất, hệ số
phản xạ là tỷ số giữa tia
phản xạ và tia tới luôn nhỏ
hơn 1. Nếu mặt phản xạ dẫn
hòan tòan thì hệ số phản xạ
bằng 1
18
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Các hiện tượng trong
tuyền sóng
+ Khúc xạ
(Refraction): hiện
tượng khúc xạ xuất
hiện khi tia sóng
truyền từ một môi
trường này sang
một môi trường
khác. Lúc này tia
sóng tuân theo định
luật Snell
19
Telecommunications Program
Truyền sóng
2211 sinsin qq nn =
r rn m e=với:
21
2 1
sin
sin
r
r
eq
q e
=
20
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Các hiện tượng trong tuyền sóng
+ Nhiễu xạ (Diffration): hiện tượng nhiễu xạ xuất hiện tại cạnh chắn
của vật thể có kích thước có thể so sánh được với bước sóng, tia sóng
bị uống cong theo độ cong của bề mặt vật chắn
21
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Các hiện tượng trong tuyền sóng
+ Nhiễu xạ bờ sắc (Knife Edge - Diffration):
22
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Các hiện tượng trong tuyền sóng
+ Tán xạ (scattering): hiện tượng tán xạ xuất hiện khi tia sóng gặp
vùng bất đồng nhất hay các vật thể có kích thước bé hơn nhiều so với
bước sóng
23
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Các hiện tượng trong tuyền sóng
+ Đa đường (Multipath): hiện tượng đa đường do tín hiệu từ nguồn
phát đến máy thu đi theo nhiều đường khác nhau do các hiện tượng
phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, khúc xạ, truyền thẳng. Tín hiệu thu được là
tập hợp của nhiều tín hiệu nên có thể làm cho tín hiệu có biên độ thay
đổi liên tục theo thời gian và không gian
Transmitter
d
Receiver
hb
hm
Diffracted
Signal
Reflected Signal
Direct Signal
Building
24
Telecommunications Program
Truyền sóng
+ Truyền sóng trong không gian tự do – công thức cơ bản
- Nguồn bức xạ vô hướng (isotropic radiator) là một anten bức
xạ sóng điện từ ra không gian tự do bằng nhau theo mọi hướng
- Nguồn bức xạ đẳng hướng (omnidirectional radiator) là một
anten bức xạ sóng điện từ đều trong một mặt phẳng nào đó
- Nguồn bức xạ có hướng (directional radiator) là một anten
bức xạ sóng điện từ tập trung vào một hướng nhất định nào đó
Isotropic Dipole
High gain
directional
25
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Xét nguồn bức xạ vô hướng
Công suất và nguồn bức xạ Pt
Điểm khảo sát M cách nguồn bức xạ một khoảng R
Mật độ công suất tại M
Theo định lý Pointing
Pt M
W = W0 = pe
m
120
0
0 =
0 24
t
R
P i
R
p
p
=
vv
( )* 210 2 1Re 2 m RE H E iWp = ´ =
r r r rr
26
Telecommunications Program
Truyền sóng
Cường độ điện trường tại M
2
2
602
4
tt
m m
PWP VE E
R R mp
é ù= Þ = ê úë û
- Xét nguồn bức xạ có hướng - Hệ số hướng tính
Công suất và nguồn bức xạ Pt
Điểm khảo sát M cách nguồn bức xạ một khoảng R
Hệ số hướng tính là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ tại
điểm khảo sát của nguồn bức xạ có hướng với mật độ công suất tại
cùng điểm khảo sát của nguồn bức xạ vô hướng với cùng công
suất đưa vào è nguồn bức xạ có hướng với công suất đưa vào Pt
và hệ số hướng tính D được xem tương đương với nguồn bức xạ
vô hướng có công suất đưa vào PtD
27
Telecommunications Program
Truyền sóng
Hệ số hướng tính
2
21
2
0 4
( , )( , )( , )
t
mW
P
R
ED
p
q jp q j
q j
p
= =
60 ( , )
( , ) tm
PD VE
R m
q j
q j é ù= ê úë û
- Độ lợi anten là hệ số hướng tính của anten thật, nếu anten có hiệu suất là h
G Dh=
28
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Tổn hao trên đường truyền sóng
Diện tích hiệu dụng: là tỷ số giữa công suất ngỏ ra aten thu với
mật độ công suất ở ngõ vào máy thu. Diện hiệu dụng phụ thuộc vào
tần số sử dụng và hệ số hướng tính của anten
- Xét hệ thống gồm anten phát có hệ số hướng tính Dt , công suất
đưa vào Pt , Anten thu đặt cách anten phát một khoảng R với hệ số
hướng tính Drè tổn hao trên đường truyền sóng là
2
4
r r
hd
r
P DS l
p p
= =
24 R 1 110log 10log 10logcb t r
t r
L P P
D D
p
l
é ùæ ö= - = ê úç ÷
è øê úë û
29
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Tổn hao trên đường truyền sóng có hấp thu
60 t t
m
PD VE F
R m
é ù= ê úë û
2
2
4 R 1 1 110log 10log 10logt r
t r
L P P
D D F
p
l
é ùæ ö= - = ê úç ÷
è øê úë û
30
Telecommunications Program
Truyền sóng
+ Không gian ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng – vùng Fresnel
- Nguyên lý Huygen: ta có thể xác định trường tại một điểm
bất kỳ trong không gian nếu ta biết được qui luật phân bố trường trên
một mặt kín S bất kỳ bao quanh nguồn bức xạ. Nguồn bức xạ này
được xem là nguồn bức xạ thứ cấp
O MI
R1
r0
r1
rn
r0
r1
rn
Rn
( )
( )
( )
( )
1 1 0 0
2 2 1 1
2 2 0 0
0 0
2
2
2 2
2n n
r r
r r
r r
r r n
lr r
lr r
lr r
lr r
+ - + =
+ - + =
+ - + =
+ - + =
3 31 1 2 2 4 1
2 2 2 2 2 2 2 2
E EE E E E E EE -æ ö æ öæ ö» + - + + + - + »ç ÷ ç ÷ ç ÷
è ø è ø è ø
L
31
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Bán kính vùng Fresnel
2
2 2
0 0
0
1 nn n
Rr r R r
r
æ ö
= + = + ç ÷
è ø
2 2
0 0 0 0
0 0
1 1 ( )
2 2 2
n nR Rr r n
r
l
r r
r
+ + + - + =
0 0
0 0
n
n rR
r
lr
r
=
+
32
Telecommunications Program
Truyền sóng
- Khoảng gian Frenel thứ nhất
O M
+ Sự truyền lan của sóng phẳng đơn sắc trong môi trường điện môi lý
tưởng
s Điện dẫn suất [1/Wm]
e = e0er Hệ số điện môi [F/m]
m = m0 mr Hệ số từ thẩm [H/m] ï
ï
î
ïï
í
ì
úû
ù
êë
é=
úû
ù
êë
é=
-
-
m
H.
m
F.
7
0
9
0
104
10
36
1
pm
p
e
33
Telecommunications Program
Truyền sóng
+ Hệ phương trình Maxwell tổng quát
ï
ï
ï
ï
î
ï
ï
ï
ï
í
ì
=
=
¶
¶
-=
+
¶
¶
=
e
r
m
se
Ediv
Hdiv
t
HErot
E
t
EHrot
r
r
r
r
r
r
r
0
+ Môi trường điện môi lý tưởng
ï
ï
ï
ï
î
ïï
ï
ï
í
ì
=
=
¶
¶
-=
¶
¶
=
0
0
Ediv
Hdiv
t
HErot
t
EHrot
r
r
r
r
r
r
m
e
34
Telecommunications Program
Truyền sóng
+ Môi trường điện môi lý tưởng tại nguồn bức xạ chỉ có thành phần
thẳng đứng theo trục z, giả thiết sóng truyền theo trục x
là vận tốc truyền sóng
ï
ï
ï
î
ï
ï
ï
í
ì
úû
ù
êë
é=
=
=
-
m
VeEE
E
E
)
v
xt(j
mz
y
x
w
0
0
( ) ( )
0
'
120
0
x
x xj t j t
v v
y m m
z
H
H E e H e
H
w we
p
- -
=ì
ï
ï = - = -í
ï
=ïî
0
1
em
=v
mm E
'H
p
e
120
=
35
Telecommunications Program
Truyền sóng
+ Truyền sóng trong môi trường bán dẫn s ¹ 0.
ï
ï
ï
ï
î
ï
ï
ï
ï
í
ì
=
=
¶
¶
-=
+
¶
¶
=
e
r
m
se
Ediv
Hdiv
t
HErot
E
t
EHrot
r
r
r
r
r
r
r
0
j EE
tw
¶
= -
¶
r
r
t
EjHrot
¶
¶
÷
ø
ö
ç
è
æ -=
r
r
w
s
e
úû
ù
êë
é-=
m
Fjp w
s
ee
36
Telecommunications Program
Truyền sóng
+ Truyền sóng trong môi trường bán dẫn s ¹ 0.
lse
we
s
e
e
e
e 60
00
j'j'' pp -=-==
jpn' p -=e
÷÷
÷
ø
ö
çç
ç
è
æ
-
-
= n
c
xtj
px
c
mz eeEE
ww
pp
c l
pw
d
2
==
xj t cx n
z mE E e e
w
d
æ ö
ç ÷-
ç ÷- è ø=
2 2
'
120
120
xj t cp x n
y m
x pj t artgc nx n
m
H E e e
n p
E e e
w
d
w
d
e
p
p
æ ö
ç ÷-
ç ÷- è ø
é ùæ ö
ê úç ÷- -
ê úç ÷
- è øë û
= -
+
= -
( ) úû
ù
êë
é ++= 22 60
2
1
lsee ''n
( ) úû
ù
êë
é ++-= 22 60
2
1
lsee ''p
37
Telecommunications Program
Truyền sóng
+ Môi trường có tính chất gần với
môi trường điện môi lý tưởng
'n e»
'
p
e
ls
2
60
»
'
c
n
cv
e
»=
'
p
c e
psw
d
60
»=
lse 60'>>
+ Môi trường có tính chất gần với
môi trường điện môi lý tưởng lse 60'<<
ls30»p
ls30
cv »
l
s
pd
302»
ls30»n
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- ANTEN TRUYỀN SÓNGDương Hiển Thuận.pdf