Bài giảng Vô tuyến điện đại cương - Chương 15: Antenna và truyền sóng - Ngô Văn Thanh

Nội dung text: Bài giảng Vô tuyến điện đại cương - Chương 15: Antenna và truyền sóng - Ngô Văn Thanh

1. VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG TS. Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý Hà Nội - 2016
2. 2 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 Tài liệu tham khảo [1] David B. Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999). [2] Dennis L. Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge University Press 2011). [3] Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge University Press 2009). [4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT [5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT [6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT Website : Email : nvthanh@iop.vast.ac.vn
3. 3 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 CHƯƠNG 15. ANTENNA VÀ TRUYỀN SÓNG 1. Sóng radio 9. Antenna lưỡng cực 2. Trở kháng 10. Antenna que 3. Góc khối và hướng 11. Tầng điện ly 4. Antenna phát sóng 12. Sóng radio trong tầng 5. Antenna thu sóng điện ly 6. Công thức Friis 13. Tần số tới hạn 7. Định lý antenna 14. Tần số khả dụng cực đại 8. Nguyên lý đảo
4. 4 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 1. Sóng radio  Radio Waves . Hệ phương trình Maxwell của các sóng phằng trong không gian tự do . Đạo hàm theo thời gian của một phaso được thay bởi • : độ từ thẩm và điện môi . Giả thiết, trong mặt phẳng sóng, chỉ có dao động theo trục z . Trường điện từ biến đổi theo hàm e mũ : . Viết lại các phương trình Maxwell . Điện trường và từ trường chỉ có các thành phần theo trục x và y
5. 5 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 1. Sóng radio . Xét trường hợp phân cực tuyến tính : các trường chỉ nằm trên một trục • Quay hệ trục sao cho điện trường nằm theo trục x . Từ trường phải hướng theo trục y . Trở kháng của sóng : . Hằng số pha : . Vận tốc truyền sóng : . Mật độ công suất trung bình theo phương z • Đơn vị đo : W/m2
6. 6 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 2. Trở kháng  Impedance  Xét mạch điện mà antenna phát sóng đóng vai trò là tải . Trở kháng của tải : Z . Cường độ dòng điện : I . Công suất phát sóng . Có 2 loại công suất: • Công suất hấp thụ của vật liệu chế tạo ra antenna • Công suất phát sóng thực . Tách điện trở của antenna thành 2 thành phần điện trở • Điện trở phát sóng (radiation) : • Điện trở tiêu hao (loss) : . Tổng trở . Hiệu suất phát sóng : . Mạch tương đương Thevenin với nguồn điện áp Vo
7. 7 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 3. Góc khối và hướng  Directions and Solid Angles  Các tham số hướng . Zenith : đỉnh . Elevation : góc nâng . Azimuth : góc phương vị  Góc khối .  : góc khối là diện tích hình chiếu của mặt S lên hình cầu đơn vị (4 ) .  : góc phẳng = hình chiếu của đường cong C lên đường tròn đơn vị (2 )
8. 8 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4. Antenna phát sóng  Transmitting Antennas . Định nghĩa : độ lợi của antenna phát sóng (đại lượng không thứ nguyên) • Sr : mật độ công suất cực đại của antenna chuẩn • S : mật độ công suất có đơn vị đo : W/m2 . Mật độ công suất của antenna đẳng hướng chuẩn tỷ lệ với công suất phát sóng . r : khoảng cách từ antenna . Độ lợi : . Trường hợp antenna lý tưởng (không suy hao = lossless) . Mật độ công suất tính theo đơn vị góc khối : . Viết lại tích phân
9. 9 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 5. Antenna thu sóng  Receiving Antennas  Đặc trưng: . Độ dài hiệu dùng và diện tích hiệu dụng . Điện áp tương đương Vo h : độ dài hiệu dụng và E là điện trường tới  Antenna lưỡng cực . Gồm 1 cặp dây với tổng độ dài = .  : góc tới của điện trường . Điện áp hai cực antenna : . Quay antenna theo hướng phân cực của sóng tới • Độ dài hiệu dụng của antenna
10. 10 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 5. Antenna thu sóng . Diện tích hiệu dụng của trạm thu • Pr : công suất thu được từ antenna • S : mật độ công suất tới . Cách viết khác •  : bước sóng . Xét mạch tương đương, viết lại công suất thu được . Thay các công thức ở phần trước vào ta có . Cuối cùng ta xác định được diện tích hiệu dụng
11. 11 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 6. Công thức Friis  Friis Formula  Tính toán các mức tín hiệu trong truyền thông . r : khoảng cách giữa trạm thu-phát . Mật độ công suất : . Công suất thu : A : diện tích hiệu dụng của antenna thu . Tính toán hình học • h : chiều cao của antenna; a : bán kính của trái đất • Xác định khoảng cách : • Sử dụng điều kiện : • Suy ra được . Thực tế : mặt sóng truyền đi với vận tốc khác nhau • Bán kính hiệu dụng của trái đất : • Cuối cùng ta thu được :
12. 12 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 7. Định lý antenna  Antenna Theorem . Điều kiện cho antenna lý tưởng . Đối với phân cực đơn, năng lượng nhiệt trên một đơn vị tần số và trên một đơn vị thể tích : . Độ sáng chói (brightness) : . Biểu thức khác của năng lượng nhiệt . Suy ra biểu thức cho định lý:
13. 13 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 8. Nguyên lý đảo  Reciprocity . Đối với antenna, biểu thức liên hệ giữa độ lợi và diện tích hiệu dụng :  Trong một mạch điện, volt kế lý tưởng và nguồn dòng điện lý tưởng có thể đổi vị trí cho nhau mà không làm thay đổi số đo của volt kế  Xét mạch điện : . Mạch phát sóng điều khiển bằng nguồn dòng điện I . Mạch thu sóng nhận được điện áp V : (mạch hở) . Công suất phát sóng : . Công suất thu : . Mặt khác ta lại có :
14. 14 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 8. Nguyên lý đảo . Từ hai công thức cho Pr , ta có biểu thức liên hệ suy ra: . Tráo đổi vị trí điện áp và nguồn dòng, ta dễ dàng có được hệ thức . Định nghĩa của độ lợi : . Định lý về antenna : . Nếu là hằng số, không phụ thuộc vào góc, ta có biểu thức liên hệ :
15. 15 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9. Antenna lưỡng cực  Dipoles . Sử dụng công thức cho diện tích hiệu dụng, ta có . Sử dụng công thức : . Biểu diễn trong toạ độ cầu : . Đổi biến tích phân: thay
16. 16 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 10. Antenna que  Whip Antennas . Antenna đơn cực theo phương thẳng đứng • Một cực tiếp mát • Độ dài hiệu dung tăng gấp đôi do sóng phản xạ từ mặt đất • Góc tới  chỉ lấy giá trị từ 0 - /2 . Điện trở của antenna :  Xét antenna có thêm 2 que . Antenna giàn . Mỗi đoạn antenna làm tăng thêm 2 lần độ dài hiệu dụng
17. 17 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 11. Tầng điện ly  Ionosphere . Trong khí quyển có chứa các điện tử bị ion hoá . Tầng điện ly nằm ở độ cao khoảng 300 km
18. 18 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 12. Sóng radio trong tầng điện ly  Radio Waves in the Ionosphere . Xét định luật II của Newton, bỏ qua ảnh hưởng của từ trường và sự va chạm • Điện tích của điện tử : • Khối lượng của điện tử : . Sử dụng biến đổi phasor : . Mật độ dòng điện • Nq : mật độ điện tích; N là số điện tử trong một đơn vị thể tích . Áp dụng định luật Ampère
19. 19 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 12. Sóng radio trong tầng điện ly . Thay mật độ dòng vào ta có . Đặt hằng số điện môi hiệu dụng . Viết lại phương trình trên . Hằng số pha : • 0 : hằng số pha trong không gian tự do . Hệ số khúc xạ • n < 1 : bước sóng trong tầng điện ly dài hơn so với trong không gian tự do
20. 20 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 13. Tần số tới hạn  Critical Frequency  Định nghĩa: . Tần số tới hạn : . Thay các hằng số vào, ta có . Hệ số khúc xạ : . Nếu f < fc : hệ số truyền qua là số ảo, sóng này được gọi là sóng tắt dần
21. 21 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 14. Tần số khả dụng cực đại  Maximum Usable Frequency  Định luật Snell • Góc theo phương pháp tuyến • i : sóng tới (incident wave) • t : sóng truyền qua (transmitted wave) . Định luật Snell tổng quát . Xét trường hợp : không thoả mãn định luật Snell . Định nghĩa góc tới hạn đối với sóng tới với • Góc tới lớn hơn góc tới hạn thì sẽ xảy ra phản xạ hoàn toàn
22. 22 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 14. Tần số khả dụng cực đại . Nếu ta chọn hệ số khúc xạ bằng 1 cho tầng khí quyển thấp . Ta có góc tới hạn : • n : hệ số khúc xạ của tầng điện ly . Biểu thức liên hệ : hoặc . Với một góc tới xác định, ta có tần số khả dụng cực đại . Áp dụng công thức tính : . Khoảng cách :