Download - Antenna and Propagation 0 8478
1
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
ANTEN&
TRUYỀN SÓNG
Dương Hiển ThuậnMobile: 0918486000
E-mail: [email protected]
2
Telecommunications ProgramTelecommunications 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 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
Telecommunications ProgramTelecommunications 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 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
Telecommunications ProgramTelecommunications 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 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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
Truyền sóng
( )1 2
1 2
2 1 2m m
k
E E
πϕ ϕ− = +
=1 2 kϕ ϕ π− = ±
10
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
Truyền sóng
11
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
Truyền sóng
12
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
Truyền sóng- Theo băng sóng
13
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications 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 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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
Truyền sóng
2211 sinsin θθ nn =
r rn µ ε=với:
21
2 1
sinsin
r
r
εθθ ε
=
20
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
Truyền sóng- Các hiện tượng trong tuyền sóng
+ Nhiễu xạ bờ sắc (Knife Edge - Diffration):
22
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications 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 ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications 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 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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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
Telecommunications ProgramTelecommunications Program
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