Bài giảng Truyền sóng và anten - Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng - Nguyễn Viết Minh

Nội dung text: Bài giảng Truyền sóng và anten - Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng - Nguyễn Viết Minh

1. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN Giảng viên: Nguyễn Viết Minh Điện thoại/E-mail: (090) 406-2112/minhnv@ptit.edu.vn Bộ môn: Vô tuyến – Khoa Viễn thông 1 Học kỳ/Năm biên soạn: II/2010
2. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN GIỚI THIỆU MÔN HỌC . Tên học phần: • Truyền sóng và anten (Radiowave Propagation and Antenna ) . Tổng lượng kiến thức: • 60 tiết + Lý thuyết: 50 tiết; Thực hành: 6 tiết; Bài tập: 4 tiết . Mục tiêu học phần: • Giới thiệu các khái niệm, các biểu thức của quá trình truyền lan sóng vô tuyến. Nghiên cứu sự truyền lan của sóng cực ngắn trong môi trường thực • Giới thiệu lý thuyết chung về anten, các anten nguyên tố. Nghiên cứu hoạt động của chấn tử đối xứng, các loại anten trong thông tin vô tuyến GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 2 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
3. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN GIỚI THIỆU MÔN HỌC . Nội dung học phần: • Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng + Tính chất của sóng điện từ; Các phương pháp truyền lan sóng; Quá trình truyền lan sóng trong không gian tự do • Chương 2: Truyền lan sóng cực ngắn + Truyền lan trong điều kiện lý tưởng; Truyền lan trong điều kiện thực; Phadinh và biện pháp chống • Chương 3: Truyền lan sóng trong thông tin di động + Đặc tính kênh truyền sóng di động; Các mô hình kênh vô tuyến di động; Đánh giá đặc tính kênh • Chương 4: Lý thuyết chung về anten + Các tham số của anten; Các nguồn bức xạ nguyên tố; Nguyên lý của anten thu GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 3 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
4. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN GIỚI THIỆU MÔN HỌC . Nội dung học phần: • Chương 5: Anten chấn tử + Bức xạ của chấn tử đối xứng, anten chấn tử đơn, các loại anten sử dụng nhiều chấn tử • Chương 6: Anten góc mở + Nguyên lý bức xạ mặt, anten loa, anten gương parabol, anten khe , anten vi dải • Chương 7: Kỹ thuật anten + Tổng hợp đồ thị phương hướng anten, mở rộng dải tần làm việc, cấp điện và phối hợp trở kháng anten • Chương 8: Anten trong thông tin vô tuyến tiên tiến + Anten thông minh, kỹ thuật đa anten, anten cho hệ thống vô tuyến băng siêu rộng. GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 4 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
5. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN GIỚI THIỆU MÔN HỌC . Tài liệu tham khảo: • [1] Nguyễn Viết Minh, Truyền sóng và Anten, Bài giảng, Học viện công nghệ BCVT, 6/2010 • [2] Phan Anh, Trường điện từ và truyền sóng, NXB Đại học Quốc gia, 2002 • [3] Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, NXB KHKT, 2004 • [4] Robert E.Collin, Antennas and Radio wave propagation, McGraw Hill • [5] N. Blaunstein, Radio propagation in cellular network, Artech House • [6] Frank Gross, Smart antenna for wireless communication, McGraw Hill GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 5 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
6. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN GIỚI THIỆU MÔN HỌC . Đánh giá học phần • Chuyên cần: 10% (nghỉ 2 tiết trừ 1 điểm) (Nghỉ từ 16 tiết trở lên không được dự thi hết môn) • Kiểm tra: 15% (2 bài, vắng nhận điểm “0”) • Thực hành: 15% (1 bài, vắng nhận điểm “0”) (Vắng thực hành không được dự thi hết môn) • Thi kết thúc học phần: 60% GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 6 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
7. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN CHƢƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 7 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
8. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN NỘI DUNG . Nội dung chương 1: (6) • 1.1 Giới thiệu • 1.2 Tính chất cơ bản của sóng điện từ • 1.3 Phân loại sóng điện từ • 1.4 Phương thức truyền lan sóng điện từ • 1.5 Biểu thức truyền lan sóng trong không gian tự do • 1.6 Hệ số suy giảm • 1.7 Câu hỏi và bài tập GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 8 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
9. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.1 Giới thiệu . Hệ thống viễn thông Hình 1.1. Mô hình hệ thống viễn thông GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 9 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
10. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.1 Giới thiệu . Truyền dẫn vô tuyến (Radio Transmission) • Môi trường truyền dẫn + Không gian (bầu khí quyển) • Phương tiện truyền dẫn + Sóng điện từ Hình 1.2. Môi trường truyền dẫn vô tuyến GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 10 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
11. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.2 Tính chất cơ bản của SĐT . Khái niệm • Sóng điện từ là quá trình biến đổi năng lượng tuần hoàn giữa điện trường và từ trường làm cho năng lượng điện từ lan truyền trong không gian. . Đặc điểm • Sóng điện từ có hai thành phần: + Điện trường : E (V/m) + Từ trường : H (A/m) Đây là hai đại lượng vectơ (có phương, chiều, độ lớn), có quan hệ mật thiết với nhau trong quá trình sóng truyền lan trong không gian • Các nguồn bức xạ sóng điện từ thường có dạng sóng cầu hoặc sóng trụ, khi nghiên cứu ta chuyển về dạng sóng phẳng GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 11 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
12. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.2 Tính chất cơ bản của SĐT . Biểu thức quan hệ giữa các thành phần • Nghiên cứu với sóng điện từ phẳng, truyền lan trong môi trường điện môi đồng nhất và đẳng hướng • Biểu diễn sóng điện từ bằng hệ phương trình Maxoel dạng vi phân: Ex Hy : Hệ số điện môi  tz : Hệ số từ thẩm (1.1) z: Cự ly truyền sóng Ex Hy  t: Thời gian zt + Giải hệ zz F, G: Các hàm sóng EFx 1 t F 2 t vv v: Vận tốc truyền lan của sóng (m/s) (1.2) zz z1 Hy G 1 t G 2 t v vv t . GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 12 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
13. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.2 Tính chất cơ bản của SĐT . Biểu thức quan hệ giữa các thành phần • Trở kháng sóng, Z: Biểu thị ảnh hưởng của môi trường tới quá trình truyền sóng  E Z   H (1.3) + Với không gian tự do 9  4 .10 7 H / m ;  10 F/ m 00 36 1 8 v 3.10 m /s c  00 (1.4) 0 Z0 120  0 GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 13 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
14. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.2 Tính chất cơ bản của SĐT . Biểu thức quan hệ giữa các thành phần • Biến đổi Fourier biểu diễn sóng điện từ dưới dạng tín hiệu điều hòa EE cos t z E cos  t kz x m v m (1.5) EEmmz Hy cos t cos  t kz ZZ v 2 .f 2 .f 2 k v c f. k: Hệ số sóng, đặc trƣng cho sự thay đổi pha của sóng + Nhận xét: Khi sóng truyền lan, tại mỗi điểm thành phần từ trường và điện trường có pha như nhau và biên độ liên hệ qua công thức (1.5) GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 14 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
15. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.2 Tính chất cơ bản của SĐT . Biểu thức quan hệ giữa các thành phần • Thông lượng năng lượng của sóng điện từ, S (1.6) SEH [] + Thông lượng năng lượng trung bình 2 1 Em .H m E m 2 (1.7) SREHavg e W/m 2 2 2.Z • Sóng điện từ ngang, TEM Hình 1.3. Sóng TEM GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 15 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
16. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.2 Tính chất cơ bản của SĐT . Mặt sóng + Sóng điện từ lan tỏa trong không gian, tại mỗi điểm sóng điện từ được đặc trưng bởi pha và cường độ • Mặt sóng: Là quỹ tích những điểm trong không gian tại đó sóng điện từ có pha như nhau và cường độ bằng nhau • Hai dạng mặt sóng đặc biệt: Mặt sóng phẳng, mặt sóng cầu • Quá trình truyền lan sóng điện từ: Tính chất sóng + Sóng điện từ bức xạ ra không gian dưới dạng vô số các mặt sóng liên tiếp + Nguồn bức xạ sóng điện từ chỉ đóng vai trò là nguồn bức xạ sơ cấp + Quá trình sóng truyền lan, các mặt sóng được tạo ra đóng vai trò là nguồn bức xạ thứ cấp tạo ra các mặt sóng tiếp sau nó GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 16 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
17. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.2 Tính chất cơ bản của SĐT . Phân cực sóng • KN: Trường phân cực là trường điện từ với các vecto E và H có thể xác định được hướng tại thời điểm bất kỳ (biến đổi có tính quy luật) Ngược lại là trường không phân cực (biến đổi ngẫu nhiên trong không gian) • Mặt phẳng phân cực: Là mặt phẳng chứa vec tơ E và phương truyền lan sóng (vecto Z) • Phân loại + Phân cực đường thẳng: Mặt phẳng phân cực cố định khi sóng truyền lan - Phân cực đứng: Vecto E vuông góc với mặt phẳng nằm ngang - Phân cực ngang: Vecto E song song với mặt phẳng nằm ngang + Phân cực quay: Mặt phẳng phân cực quay xung quanh trục của phương truyền lan - Phân vực tròn: Khi vecto E quay, biên độ không thay đổi (vẽ lên đường tròn) - Phân cực elip: Khi vecto E quay, biên độ thay đổi liên tục vẽ lên đường elip Quay phải: Quay thuận chiều kim đồng hồ Quay trái: Quay ngược chiều kim đồng hồ GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 17 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
18. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.2 Tính chất cơ bản của SĐT . Phân cực sóng Hình 1.4. Các dạng phân cực sóng GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 18 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
19. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.3 Phân loại sóng điện từ . Phân chia sóng điện từ + Dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm truyền lan: Chia thành các băng sóng Hình 1.5. Các băng sóng GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 19 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
20. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.3 Phân loại sóng điện từ . Phân chia sóng điện từ + Dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm truyền lan: Chia thành các băng sóng Tên băng tần (Băng sóng) Ký hiệu Phạm vi tần số Tần số vô cùng thấp ULF 30 - 300 Hz Bảng 1.1. Các băng Tần số cực thấp ELF 300 - 3000 Hz sóng Tần số rất thấp VLF 3 - 30 kHz Tần số thấp (sóng dài) LF 30 - 300 kHz Tần số trung bình (sóng trung) MF 300 - 3000 kHz Tần số cao (sóng ngắn) HF 3 - 30 MHz Tần số rất cao (sóng mét) VHF 30 - 300 MHz Tần số cực cao (sóng decimet) UHF 300 - 3000 MHz Tần số siêu cao (sóng centimet) SHF 3 - 30 GHz Tần số vô cùng (sóng milimet) EHF 30 - 300 GHz Dưới milimet 300 - 3000 GHz GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 20 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
21. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.3 Phân loại sóng điện từ . Phân chia sóng điện từ • Tính chất quang học + Sóng ánh sáng cũng là sóng điện từ, ở băng tần thị giác cảm nhận được, khi nghiên cứu sóng điện từ thường sử dụng sóng ánh sáng cho trực quan + Các tính chất quang của sóng ánh sáng cũng đúng cho sóng điện từ - Truyền thẳng - Phản xạ, khúc xạ - • Ứng dụng các băng sóng + LF, MF: Phát thanh điều biên nội địa, thông tin hàng hải + HF: Phát thanh điều biên cự ly xa + VHF, UHF: Phát thanh điều tần (66 – 108 MHz), truyền hình, viba số băng hẹp, hệ thống thông tin di động mặt đất + SHF: Viba số băng rộng, thông tin vệ tinh + EHF: Thông tin vũ trụ GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 21 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
22. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.4 Phương thức truyền lan sóng điện từ . Bầu khí quyển Hình 1.6. Phân tầng bầu khí quyển GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 22 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
23. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.4 Phương thức truyền lan sóng điện từ . Sóng đất • Nguyên lý + Bề mặt trái đất là môi trường dẫn khép kín đường sức điện trường + Nguồn bức xạ nằm thẳng đứng trên mặt đất, sóng điện từ truyền lan dọc theo mặt đất đến điểm thu A B Phát Thu Hình 1.7: Quá trình truyền lan sóng đất (sóng bề mặt) • Đặc điểm + Năng lượng sóng bị hấp thụ ít đối với tần số thấp, đặc biệt với mặt đất ẩm, mặt biển (độ dẫn lớn) + Khả năng nhiễu xạ mạnh, cho phép truyền lan qua các vật chắn + Sử dụng cho băng sóng dài và trung với phân cực đứng GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 23 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
24. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.4 Phương thức truyền lan sóng điện từ . Sóng không gian • Nguyên lý + Anten đặt cao trên mặt đất ít nhất vài bước sóng + Sóng điện từ đến điểm thu theo 2 cách - Sóng trực tiếp: Đi thẳng từ điểm phát đến điểm thu - Sóng phản xạ: Đến điểm thu sau khi phản xạ trên mặt đất (thỏa mãn ĐL PX) Hình 1.8: Truyền lan sóng không gian • Đặc điểm + Chịu ảnh hưởng nhiều của điều kiện môi trường + Phù hợp cho băng sóng cực ngắn, là phương thức truyền sóng chính trong thông tin vô tuyến GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 24 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
25. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.4 Phương thức truyền lan sóng điện từ . Sóng tầng điện ly (sóng trời) • Nguyên lý + Lợi dụng đặc tính phản xạ sóng của tầng điện ly với các băng sóng ngắn + Sóng điện từ phản xạ sẽ quay trở về trái đất Hình 1.9: Truyền lan sóng tầng điện ly • Đặc điểm + Không ổn định do sự thay đổi điều kiện phản xạ của tầng điện ly GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 25 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
26. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.4 Phương thức truyền lan sóng điện từ . Sóng tự do (sóng thẳng) • Nguyên lý + Môi trường truyền sóng lý tưởng (đồng tính, đẳng hướng, không hấp thụ) + Sóng truyền lan trực tiếp đến điểm thu theo một đường thẳng Mục tiêu trong vũ trụ Trạm trên mặt đất Hình 1.10: Truyền lan sóng tự do • Đặc điểm + Môi trường chỉ tồn tại trong vũ trụ, sử dụng cho thông tin vũ trụ + Bầu khí quyển trái đất trong một số điều kiện nhất định được coi là không gian tự do GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 26 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
27. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.4 Phương thức truyền lan sóng điện từ . Tổng kết: Sóng tự do Không gian tự do Tầng điện ly Tầng bình lưu Sóng không gian Sóng trời Tầng đối lưu Sóng đất Mặt đất Hình 1.11: Các phương thức truyền lan sóng vô tuyến GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 27 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
28. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.5 Biểu thức truyền lan sóng trong không gian tự do . Mật độ công suất, cường độ điện trường • Bài toán + Không gian tự do + Nguồn bức xạ vô hướng, công suất bức xạ P1 (W), đặt tại điểm T + Xét trường tại điểm R cách T một khoảng r (m) • Giải quyết + Nguồn bức xạ sẽ bức xạ vô số mặt sóng cầu liên tiếp có tâm tại T + Xét mặt cầu đi qua R có bán kính là r. Thông lượng năng lượng (mật độ công suất) tại mặt cầu: P1 2 1 m2 S W/m (1.8) r 2 2 4 .r T R (P1-W) GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 28 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
29. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.5 Biểu thức truyền lan sóng trong không gian tự do . Mật độ công suất, cường độ điện trường Theo lý thuyết trường EE hh (1.9) SE2 h.H h ; H h Z0 120 2 Eh E , H : Cƣờng độ điện trƣờng, từ trƣờng hiệu dụng S 2 h h Z : Trở kháng sóng của không gian tự do 120 0 + Cường độ điện trường tại điểm thu 30P1 Eh V/m r2 (1.10) 60.P1 E Eh . 2.cos  t kr .cos  t kr V/m r GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 29 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
30. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.5 Biểu thức truyền lan sóng trong không gian tự do . Mật độ công suất, cường độ điện trường + Sử dụng anten có hướng bức xạ vô hướng R’; P R; P2’ 2 T; P 1 (P2) (P1’) Hình1.13: Nguồn bức xạ có hướng - Tập chung năng lượng giúp tăng công suất tại điểm thu - Đặc trưng bởi hệ số tính hướng D1 ' PP12 DPDP1 ' ( 2 constant); 1 ( 1 constant) PP12 PD. 60.PD . S 11 E 11 cos  t k r (1.11) 2 4. rr2 GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 30 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
31. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.5 Biểu thức truyền lan sóng trong không gian tự do . Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (Equivalent Isotropic Radiated Power - EIRP) • Là công suất bức xạ tương đương của một anten vô hướng để có thể đạt được cường độ trường tại điểm thu bằng với khi dùng anten có hướng (1.12) EIRP P11. D EIRP P11 dB D dB dB G1 DPP1 ;. 1 1a 1 1 (1.13) EIRP Pa11 G P T G T G1: Hệ số tăng ích anten phát (GT) 1: Hiệu suất anten phát (T) P1: Công suất bức xạ anten phát (P) Pa1: Công suất đƣa vào anten phát (PT) GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 31 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
32. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.5 Biểu thức truyền lan sóng trong không gian tự do . Công suất nhận được trên anten thu, P2 + Là tích giữa mật độ công suất tại điểm thu, S2 và diện tích làm việc của anten thu, A (1.14) PSA22 . + Trường hợp sử dụng anten gương parabol tròn xoay với hệ số tính hướng D2 2 2 2 d: Đƣờng kính miệng anten dd D2. ADA ; 2 : Bƣớc sóng công tác 4  4. DPD  2  2 2 1 1 (1.15) PPDD2 W2 1 1 2 4. 4. .rr 4. . + Công suất thực tế đầu ra anten thu (1.16) PSAAAa2 2.;. h h  2 Ah: Diện tích hiệu dụng của anten thu 2: Hiệu suất anten thu GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 32 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
33. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.5 Biểu thức truyền lan sóng trong không gian tự do . Tổn hao truyền sóng, L + Xác định bằng tỉ số giữa công suất bức xạ của máy phát với công suất anten thu nhận được P L 1 (1.17) P2 + Tổn hao truyền sóng trong không gian tự do gây ra bởi sự khuếch tán tất yếu của sóng theo mọi phương, công suất thu được chỉ là một phần nhỏ. Tổn hao này gọi là Tổn hao không gian tự do, Ltd 4 .r 2 1 (1.18) Ltd .  DD. 12 + Trường hợp sử dụng anten vô hướng, gọi là tổn hao cơ bản trong không gian tự do, L0 2 4. r L0  (1.19) L0 20lg f GHz 20lg r km 92,45 dB (1.20) Ltd 20lg f GHz 20lg r km 92,45 10lg D12 10lg D dB GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 33 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
34. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.6 Hệ số suy giảm . Hệ số suy giảm, F • Môi trường thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình truyền sóng, ảnh hưởng tới công suất thu • Các ảnh hưởng của môi trường thực lên quá trình truyền sóng được biểu diễn qua hệ số suy giảm: F • Trong môi trường thực PD. 30P1 (1.21) 11 2 (1.22) Eh .F V/m SF2 2 . r 4. r 2 4 .r 1 Ltd . (1.23)  FDD12 Ltd 20lg f GHz 20lg r km 92,45 10lg D12 10lg D 20lg F dB (1.24) GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 34 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
35. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.7 Câu hỏi và bài tập . Bài tập chương 1 6. Mặt trời có công suất bức xạ theo mọi hướng khoảng 3,85.1020 W, khoảng cách nhỏ nhất từ quả đất đến mặt trời là 147.098.090 km (vào tháng giêng) và lớn nhất là 152.097.650 km. Tính: - Mật độ công suất bức xạ cực tiểu và cực đại của mặt trời lên bề mặt quả đất? - Mật độ công suất bức xạ mặt trời ở khoảng cách trung bình và tỷ lệ phần trăm sai số của bức xạ cực đại và cực tiểu so với giá trị trung bình? 7. Một máy phát có công suất 3 W, anten phát có hệ số khuếch đại là 30 dBi. Ở cự ly 40 km đặt một anten thu có diện tích hiệu dụng là 3,5 m2, hiệu suất làm việc 100%. Tính công suất sóng mang nhận được ở anten thu. (a) 0,164.10-5 W; (b) 0,164.10-4 W; (c) 0,154.10-5 W ; (d) 0,154.10-4 W 8. Xác định công suất máy phát cần thiết để thực hiện tuyến thông tin có các điều kiện: cự ly thông tin 50 km, tần số công tác 2GHz, hệ số khuyếch đại của anten thu và anten phát là 30 dBi, công suất anten thu nhận được là 10-6W. (a) 1,63W; (b) 2,63W; (c) 3,63W; (d) 4,63W 9. Một máy phát có công suất 50 W. Biểu diễn công suất máy phát sang đơn vị dBm và dBW? (a) 15 dBW và 45 dBm; (b) 16 dBW và 46 dBm; (c) 17 dBW và 47 dBm; (d) 18dBW và 48 dBm GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 35 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
36. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.7 Câu hỏi và bài tập . Bài tập chương 1 10. Công suất ở bài 9 được cấp cho anten vô hướng làm việc với sóng mang có tần số 900 MHz, tìm công suất thu (tính theo dBm) tại điểm cách anten phát một khoảng 10 km. Giả sử anten thu có hệ số khuếch đại là 2 và sóng truyền trong không gian tự do. (a) - 45,5 dBm; (b) - 51,5 dBm; (c) - 55,5 dBm; (d) - 61,5 dBm 11. Số liệu như bài 9 và 10, tính biên độ cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm đặt anten thu. (a) 2,9 mV/m; (b) 3,9 mV/m; (c) 4,9 mV/m; (d) 5,9 mV/m 12. Tính tổn hao khi truyền sóng trong không gian tự do (theo dơn vị dB) biết cự ly truyền sóng 50 km, tần số công tác 2 GHz, với anten vô hướng. (a) 132,5 dB; (b) 135,5 dB; (c) 142,5 dB; (d) 145,5 dB 13. Số liệu như bài 12, nếu cả hai anten có hệ số khuyếch đại là 30 dBi thì tổn hao là bao nhiêu? (a) 72,5 dB; (b) 75,5 dB; (c) 82,5 dB; (d) 85,5 dB GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 36 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1
37. BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN 1.7 Câu hỏi và bài tập . Bài tập chương 1 14. Một nguồn vô hướng có công suất bức xạ 100W. Môi trường truyền sóng là không gian tự do. Hãy xác định: a, Mật độ công suất tại điểm cách xa nguồn 1000 m. (a) 6,96 W; (b) 6,96 mW; (c) 7,96 W; (d) 7,96 mW b, Mật độ công suất tại điểm cách xa nguồn 20 km. (a) 19,9 pW ; (b) 19,9 W ; (c) 20,9 pW; (d) 20,9 W 15. Xác định cường độ điên trường hiệu dụng tại điểm thu với các giả thiết cho trong bài 14. (a) 44,7 mV/m và 1,74 mV/m; (b) 44,7 mV/m và 2,74 mV/m; (c) 54,7 mV/m và 1,74 mV/m; (d) 54,7 mV/m và 2,74 mV/m 16. Xác định mật độ công suất tại điểm cách anten 30 km của một anten có công suất bức xạ 5 W và hệ số khuếch đại của anten là 40 dBi. (a) 4,42 pW; (b) 4,42 µW; (c) 5,42 pW; (d) 5,42 W 17. Một anten phát có hệ số khuyếch đại 30 dBi, hiệu suất làm việc 60%. Để có cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu cách anten phát 100 km bằng 3,46 mV/m thì cần phải đưa vào anten công suất là bao nhiêu? Với điều kiện sóng truyền trong không gian tự do. (a) 3 W; (b) 3,5W; (c) 4 W; (d) 5 W GIẢNG VIÊN: NGUYỄN VIẾT MINH www.ptit.edu.vn Trang 37 BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1