antenna and propagation 0 8478

1

Telecommunications ProgramTelecommunications Program

ANTEN&

TRUYỀN SÓNG

Dương Hiển ThuậnMobile: 0918486000

E-mail: [email protected]

mailto:[email protected]

2


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 vàcác 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 vàtầng điện ly.

- Anten : nguyên lý bức xạ, các thông số và đặc tính cơ bảncủa anten, một số anten thường gặp và anten thông minhYêu 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

3


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 kỹthuật Hà Nội – 1997.

[3] Antenna – John D. Kraus – McGraw Hill

[4] Antenna theory analysis and design – Constantine A. Balanis – Jhon Wiley & Sons – 1997

4


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 nộidung 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

5


Giới thiệu: Hệ thống viễn thông (Telecommunication system)

Nguoàn

Maõ HoùaNguoàn

Maõ HoùaKeânh

Maùy PhaùtTx

Ñích

Giaûi MaõNguoàn

Giaûi MaõKeânh

Nhieãu.

Keânh Truyeàn Maùy ThuRx

+ 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

6


Truyền sóng

+ Môi trường truyền sóng- Đất- Khí quyển

Tầng đối lưuTầng bình lưuTầng 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

7


Truyền sóng

E

Hkhông có E hay H theohướng 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

8


Truyền sóng- Phân cực sóng điện từ: thể hiện phương của véc tơ cường độ điệntrường dọc theo phương truyền sóng hay xét sự thay đổi phươnghướng của véc tơ cường độ điện trường theo thời gian

E2=E2mcos(wt +ϕ2)

E1=E1mcos(wt +ϕ1)

E

9


Truyền sóng

( )1 2

1 2

2 1 2m m

k

E E

πϕ ϕ− = +

=1 2 kϕ ϕ π− = ±

10


Truyền sóng

11


Truyền sóng

12


Truyền sóng- Theo băng sóng

13


Truyền sóng -Theo phương thức truyền sóng:

Transmitter ReceiverEarth

Sky wave

Space wave

Ground waveTroposphere

(0 - 12 km)

Stratosphere (12 - 50 km)

Mesosphere (50 - 80 km)

Ionosphere (80 - 720 km)

14


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 hưởnglớn, đất có tính dẫn điện càng cao thì suy hao càng nhiều, truyềntốt trên mặt nước, tần số càng tăng thì suy hao tăng không tốt vớinhững sóng có tần số lớn hơn 2MHz, độ tin cậy cao không bị ảnhhưởng bởi sự thay đổi thời tiết trong ngày, mùa. Thường đượcdùng trong vô tuyến hàng hải

15


Truyền sóng

-Theo phương thức truyền sóng+ Sóng không gian (space wave): sóng gồm những tia đến trực tiếpvà 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% tầmnhìn thẳng

16


Truyền sóng

-Theo phương thức truyền sóng+ Sóng trời (sky wave): sóng phản xạ từ tầng điện ly, có thể truyềntừ anten phát đến anten thu bằng phản xạ ở tầng điện ly và mặt đấtnhiều lần, thường sử dụng ở băng tần HF

17


Truyền sóng- Các hiện tượng trong tuyềnsóng

+ Phản xạ (Reflection): hiệntượng phản xạ xuất hiện khitia sóng gặp mặt chắn dẫn cókích thước so sánh được vớibước sóng như các bề mặtkim loại hay mặt đất, hệ sốphản xạ là tỷ số giữa tiaphản xạ và tia tới luôn nhỏhơn 1. Nếu mặt phản xạ dẫnhòan tòan thì hệ số phản xạbằng 1

18


Truyền sóng

- Các hiện tượng trongtuyền sóng

+ Khúc xạ(Refraction): hiệntượng khúc xạ xuấthiện khi tia sóngtruyền từ một môitrường này sang một môi trườngkhác. Lúc này tiasóng tuân theo địnhluật Snell

19


Truyền sóng

2211 sinsin θθ nn =

r rn µ ε=với:

21

2 1

sinsin

r

r

εθθ ε

=

20


Truyền sóng

- Các hiện tượng trong tuyền sóng+ Nhiễu xạ (Diffration): hiện tượng nhiễu xạ xuất hiện tại cạnh chắncủa vật thể có kích thước có thể so sánh được với bước sóng, tia sóngbị uống cong theo độ cong của bề mặt vật chắn

21


Truyền sóng- Các hiện tượng trong tuyền sóng

+ Nhiễu xạ bờ sắc (Knife Edge - Diffration):

22


Truyền sóng

- Các hiện tượng trong tuyền sóng+ Tán xạ (scattering): hiện tượng tán xạ xuất hiện khi tia sóng gặpvùng bất đồng nhất hay các vật thể có kích thước bé hơn nhiều so vớibước sóng

23


Truyền sóng- Các hiện tượng trong tuyền sóng

+ Đa đường (Multipath): hiện tượng đa đường do tín hiệu từ nguồnphát đến máy thu đi theo nhiều đường khác nhau do các hiện tượngphản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, khúc xạ, truyền thẳng. Tín hiệu thu được làtập hợp của nhiều tín hiệu nên có thể làm cho tín hiệu có biên độ thayđổi liên tục theo thời gian và không gian

Transmitterd

Receiver

hb

hm

Diffracted Signal

Reflected Signal

Direct Signal

Building

24


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


Truyền sóng- Xét nguồn bức xạ vô hướng

Công suất và nguồn bức xạ PtĐiểm khảo sát M cách nguồn bức xạ một khoảng RMật độ công suất tại M

Theo định lý Pointing

Pt M

W = W0 = πεµ

1200

0 =

0 24t

RP iR

ππ

=vv

( )* 210 2

1Re2 m RE H E iW

π = × =r r r rr

26


Truyền sóngCường độ điện trường tại M

22

6024

ttm m

PWP VE ER R mπ

= ⇒ =

- Xét nguồn bức xạ có hướng - Hệ số hướng tínhCông suất và nguồn bức xạ PtĐiểm khảo sát M cách nguồn bức xạ một khoảng RHệ 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 tạicùng điểm khảo sát của nguồn bức xạ vô hướng với cùng côngsuất đưa vào è nguồn bức xạ có hướng với công suất đưa vào Ptvà hệ số hướng tính D được xem tương đương với nguồn bức xạvô hướng có công suất đưa vào PtD

27


Truyền sóngHệ số hướng tính

2

212

0 4

( , )( , )( , )t

mWPR

EDπ

θ ϕπ θ ϕθ ϕ

π= =

60 ( , )( , ) t

m

PD VER m

θ ϕθ ϕ =

- Độ lợi anten là hệ số hướng tính của anten thật, nếu anten có hiệu suất là η

G Dη=

28


Truyền sóng- Tổn hao trên đường truyền sóng

Diện tích hiệu dụng: là tỷ số giữa công suất ngỏ ra aten thu vớimật độ công suất ở ngõ vào máy thu. Diện hiệu dụng phụ thuộc vàotần số sử dụng và hệ số hướng tính của anten

- Xét hệ thống gồm anten phát có hệ số hướng tính Dt , công suấtđưa vào Pt , Anten thu đặt cách anten phát một khoảng R với hệ sốhướng tính Drè tổn hao trên đường truyền sóng là

2

4r r

hdr

P DS λπ π

= =

24 R 1 110log 10log 10logcb t rt r

L P PD D

πλ

= − =

29


Truyền sóng- Tổn hao trên đường truyền sóng có hấp thu

60 t tm

PD VE FR m

=

2

2

4 R 1 1 110log 10log 10logt rt r

L P PD D F

πλ

= − =

30


Truyền sóng+ Không gian ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng – vùng Fresnel

- Nguyên lý Huygen: ta có thể xác định trường tại một điểmbất kỳ trong không gian nếu ta biết được qui luật phân bố trường trênmột mặt kín S bất kỳ bao quanh nguồn bức xạ. Nguồn bức xạ nàyđược xem là nguồn bức xạ thứ cấp

O MI

R1

ρ0

ρ1

ρn

r0

r1

rn

Rn

( )

( )

( )

( )

1 1 0 0

2 2 1 1

2 2 0 0

0 0

2

22 2

2n n

r r

r r

r r

r r n

λρ ρ

λρ ρ

λρ ρ

λρ ρ

+ − + =

+ − + =

+ − + =

+ − + =

3 31 1 2 2 4 1

2 2 2 2 2 2 2 2E EE E E E E EE − ≈ + − + + + − + ≈

L

31


Truyền sóng

- Bán kính vùng Fresnel

22 2

0 00

1 nn n

Rr r R rr

= + = +

2 2

0 0 0 00 0

1 1 ( )2 2 2

n nR Rr r nr

λρ ρ

ρ+ + + − + =

0 0

0 0n

n rRr

λρρ

=+

32


Truyền sóng

- Khoảng gian Frenel thứ nhất

O M

+ Sự truyền lan của sóng phẳng đơn sắc trong môi trường điện môi lýtưởng

σ Điện dẫn suất [1/Ωm]ε = ε0εr Hệ số điện môi [F/m]µ = µ0 µr Hệ số từ thẩm [H/m]

=

=

−

−

mH.

mF.

70

90

104

1036

1

πµ

πε

33


Truyền sóng+ Hệ phương trình Maxwell tổng quát

=

=∂

∂−=

+∂∂

=

ερ

µ

σε

Ediv

Hdivt

HErot

EtEHrot

r

r

rr

rr

r

0

+ Môi trường điện môi lý tưởng

=

=∂

∂−=

∂∂

=

0

0

Ediv

Hdivt

HErot

tEHrot

r

r

rr

rr

µ

ε

34


Truyền sóng+ Môi trường điện môi lý tưởng tại nguồn bức xạ chỉ có thành phầnthẳng đứng theo trục z, giả thiết sóng truyền theo trục x

là vận tốc truyền sóng

=

==

−

mVeEE

EE

)vxt(j

mz

y

x

ω

00

( ) ( )

0

'120

0

x

x xj t j tv v

y m m

z

H

H E e H e

H

ω ωεπ

− −

= = − = −

=

0

1εµ

=v

mm E'Hπ

ε120

=

35


Truyền sóng

+ Truyền sóng trong môi trường bán dẫn σ ≠ 0.

=

=∂

∂−=

+∂∂

=

ερ

µ

σε

Ediv

Hdivt

HErot

EtEHrot

r

r

rr

rr

r

0

j EEtω

∂= −

∂

rr

tEjHrot

∂∂

−=

rr

ωσ

ε

−=mFjp ω

σεε

36


Truyền sóng

+ Truyền sóng trong môi trường bán dẫn σ ≠ 0.

λσεωεσ

εε

εε 60

00

j'j'' pp −=−==

jpn' p −=ε

−

−= n

cxtj

pxc

mz eeEEωω

ppc λ

πωδ

2==

xj t cx nz mE E e e

ωδ

− − =

2 2

'120

120

xj t cp x ny m

x pj t artgc nx nm

H E e e

n pE e e

ωδ

ωδ

ε

π

π

− −

− −

−

= −

+= −

( )

++= 22 60

21

λσεε ''n

( )

++−= 22 60

21

λσεε ''p

37


Truyền sóng+ Môi trường có tính chất gần vớimôi trường điện môi lý tưởng

'n ε≈

'p

ελσ

260

≈

'c

ncv

ε≈=

'p

c ε

πσωδ

60≈=

λσε 60'>>

+ Môi trường có tính chất gần vớimôi trường điện môi lý tưởng λσε 60'<<

λσ30≈p

λσ30cv ≈

λσ

πδ302≈

λσ30≈n

antenna and propagation 0 8478

Documents