Bài giảng Anten và truyền sóng

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