BÀI GIẢNG MÔN TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: PHẠM THỊ THÚY HIỀN BỘ MÔN: VÔ TUYẾN – KHOA VIỄN THÔNG 1 Trang 1 1. 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 2. Chương 2: Truyền lan sóng cực ngắn Truyền lan trong điều kiện lý tưởng; Truyền lan trong điều kiện thực 3. Chương 3: Kênh truyền sóng vô tuyến Đặc tính kênh truyền sóng; Phadinh; Các mô hình kênh 4. Chương 4: Lý thuyết chung về anten Các tham số của anten; Các nguồn bức xạ nguyên tố 5. Chương 5: Chấn tử đối xứng Trường bức xạ của chấn tử đối xứng; Các tham số, phương pháp cấp điện cho chấn tử đối xứng 6. Chương 6: Anten trong thông tin vô tuyến Anten nhiều chấn tử; Nguyên lý bức xạ mặt; Anten loa, anten gương Nội dung cơ bản
Speading SpectrumB MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Chng 1: Các vn chung v truyn sóng Tính cht ca sóng in t; Các phng pháp truyn lan sóng; Quá trình truyn lan sóng trong không gian t do Chng 2: Truyn lan sóng cc ngn Truyn lan trong iu kin lý tng; Truyn lan trong iu kin thc Chng 3: Kênh truyn sóng vô tuyn c tính kênh truyn sóng; Phadinh; Các mô hình kênh Chng 4: Lý thuyt chung v anten Các tham s ca anten; Các ngun bc x nguyên t Chng 5: Chn t i xng Trng bc x ca chn t i xng; Các tham s, phng pháp cp in cho chn t i xng Chng 6: Anten trong thông tin vô tuyn Anten nhiu chn t; Nguyên lý bc x mt; Anten loa, anten gng Ni dung c bn B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Hình 1.1. Mô hình h thng vin thông BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Môi trng truyn dn Phng tin truyn dn BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Khái nim Sóng in t là quá trình bin i nng lng tun hoàn gia in trng và t trng làm cho nng lng in t lan truyn trong không gian. c im in trng : E (V/m) T trng : H (A/m) ây là hai i lng vect (có phng, chiu, ln), có quan h mt thit vi nhau trong quá trình sóng truyn lan trong không gian Các ngun bc x sóng in t thng có dng sóng cu hoc sóng tr, khi nghiên cu ta chuyn v dng sóng phng 1.2 Tính cht c bn ca ST BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Biu thc quan h gia các thành phn Nghiên cu vi sóng in t phng, truyn lan trong môi trng in môi ng nht và ng hng Biu din sóng in t bng h phng trình Maxoel dng vi phân: Gii h : H s in môi : H s t thm t: Thi gian v: Vn tc truyn lan ca sóng (m/s) (1.2) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Biu thc quan h gia các thành phn Tr kháng sóng, Z: Biu th nh hng ca môi trng ti quá trình truyn sóng Vi không gian t do 1.2 Tính cht c bn ca ST (1.3) (1.4) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Biu thc quan h gia các thành phn Bin i Fourier biu din sóng in t di dng tín hiu iu hòa Nhn xét: Khi sóng truyn lan, ti mi im thành phn t trng và in trng có pha nh nhau và biên liên h qua công thc (1.5) 1.2 Tính cht c bn ca ST (1.5) k: H s sóng, c trng cho s thay i pha ca sóng BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Thông lng nng lng ca sóng in t, S Thông lng nng lng trung bình Sóng in t ngang, TEM 1.2 Tính cht c bn ca ST (1.6) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Mt sóng Sóng in t lan ta trong không gian, ti mi im sóng in t c c trng bi pha và cng Mt sóng: Là qu tích nhng im trong không gian ti ó sóng in t có pha nh nhau và cng bng nhau Hai dng mt sóng c bit: Mt sóng phng, mt sóng cu Quá trình truyn lan sóng in t: Tính cht sóng Sóng in t bc x ra không gian di dng vô s các mt sóng liên tip Ngun bc x sóng in t ch óng vai trò là ngun bc x s cp Quá trình sóng truyn lan, các mt sóng c to ra óng vai trò là ngun bc x th cp to ra các mt sóng tip sau nó 1.2 Tính cht c bn ca ST BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Phân cc sóng KN: Trng phân cc là trng in t vi các vecto E và H có th xác nh c hng ti thi im bt k (bin i có tính quy lut) Ngc li là trng không phân cc (bin i ngu nhiên trong không gian) Mt phng phân cc: Là mt phng cha vec t E và phng truyn lan sóng (vecto Z) 1.2 Tính cht c bn ca ST BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Phân loi Phân cc ng thng: Mt phng phân cc c nh khi sóng truyn lan Phân cc ng: Vecto E vuông góc vi mt phng nm ngang Phân cc ngang: Vecto E song song vi mt phng nm ngang Phân cc quay: Mt phng phân cc quay xung quanh trc ca phng truyn lan Phân vc tròn: Khi vecto E quay, biên không thay i (v lên ng tròn) Phân cc elip: Khi vecto E quay, biên thay i liên tc v lên ng elip Quay phi: Quay thun chiu kim ng h Quay trái: Quay ngc chiu kim ng h BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Phân chia sóng in t Da vào tính cht vt lý, c im truyn lan: Chia thành các bng sóng 1.3 Phân loi sóng in t Hình 1.5. Các bng sóng BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Phân chia sóng in t Da vào tính cht vt lý, c im truyn lan: Chia thành các bng sóng 1.3 Phân loi sóng in t Bng 1.1. Các bng sóng Tên bng tn (Bng sóng) Ký hiu ULF LF MF HF VHF UHF SHF EHF B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Tính cht quang hc Sóng ánh sáng cng là sóng in t, bng tn th giác cm nhn c, khi nghiên cu sóng in t thng s dng sóng ánh sáng cho trc quan Các tính cht quang ca sóng ánh sáng cng úng cho sóng in t Truyn thng ng dng các bng sóng LF, MF: Phát thanh iu biên ni a, thông tin hàng hi HF: Phát thanh iu biên c ly xa VHF, UHF: Phát thanh iu tn (66 – 108 MHz), truyn hình, viba s bng hp, h thng thông tin di ng mt t SHF: Viba s bng rng, thông tin v tinh EHF: Thông tin v tr 1.3 Phân loi sóng in t BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Hình 1.6. Phân tng bu khí quyn BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Sóng t Nguyên lý B mt trái t là môi trng dn khép kín ng sc in trng Ngun bc x nm thng ng trên mt t, sóng in t truyn lan dc theo mt t n im thu c im Nng lng sóng b hp th ít i vi tn s thp, c bit vi mt t m, mt bin ( dn ln) Kh nng nhiu x mnh, cho phép truyn lan qua các vt chn S dng cho bng sóng dài và trung vi phân cc ng 1.4 Phng thc truyn lan sóng in t Hình 1.7: Quá trình truyn lan sóng t (sóng b mt) Thu Phát A B B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Nguyên lý Anten t cao trên mt t ít nht vài bc sóng Sóng in t n im thu theo 2 cách Sóng trc tip: i thng t im phát n im thu Sóng phn x: n im thu sau khi phn x trên mt t (tha mãn L PX) c im Chu nh hng nhiu ca iu kin môi trng Phù hp cho bng sóng cc ngn, là phng thc truyn sóng chính trong thông tin vô tuyn 1.4 Phng thc truyn lan sóng in t Hình 1.8: Truyn lan sóng không gian BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Nguyên lý Li dng c tính phn x sóng ca tng in ly vi các bng sóng ngn Sóng in t phn x s quay tr v trái t c im Không n nh do s thay i iu kin phn x ca tng in ly 1.4 Phng thc truyn lan sóng in t Hình 1.9: Truyn lan sóng tng in ly BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Nguyên lý Môi trng truyn sóng lý tng (ng tính, ng hng, không hp th) Sóng truyn lan trc tip n im thu theo mt ng thng c im Môi trng ch tn ti trong v tr, s dng cho thông tin v tr Bu khí quyn trái t trong mt s iu kin nht nh c coi là không gian t do 1.4 Phng thc truyn lan sóng in t Hình 1.10: Truyn lan sóng t do Mc tiêu trong v tr Trm trên mt t B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Hình 1.11: Các phng thc truyn lan sóng vô tuyn Sóng t do B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Bài toán Không gian t do Ngun bc x vô hng, công sut bc x P1 (W), t ti im T Xét trng ti im R cách T mt khong r (m) Gii quyt Ngun bc x s bc x vô s mt sóng cu liên tip có tâm ti T Xét mt cu i qua R có bán kính là r. Thông lng nng lng (mt công sut) ti mt cu: 1.5 Biu thc truyn lan sóng trong không gian t do (1.8) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Theo lý thuyt trng Cng in trng ti im thu 1.5 Biu thc truyn lan sóng trong không gian t do (1.9) Eh, Hh: Cng in trng, t trng hiu dng Z0: Tr kháng sóng ca không gian t do (1.10) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * S dng anten có hng Tp chung nng lng giúp tng công sut ti im thu c trng bi h s tính hng D1 1.5 Biu thc truyn lan sóng trong không gian t do (1.11) R; P2 B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * (Equivalent Isotropic Radiated Power - EIRP) Là công sut bc x tng ng ca mt anten vô hng có th t c cng trng ti im thu bng vi khi dùng anten có hng 1.5 Biu thc truyn lan sóng trong không gian t do G1: H s tng ích anten phát (GT) 1: Hiu sut anten phát (T) P1: Công sut bc x anten phát (P) Pa1: Công sut a vào anten phát (PT) (1.12) (1.13) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Công sut nhn c trên anten thu, P2 Là tích gia mt công sut ti im thu, S2 và din tích làm vic ca anten thu, A Trng hp s dng anten gng parabol tròn xoay vi h s tính hng D2 Công sut thc t u ra anten thu 1.5 Biu thc truyn lan sóng trong không gian t do Ah: Din tích hiu dng ca anten thu 2: Hiu sut anten thu (1.15) (1.16) (1.14) : Bc sóng công tác B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Tn hao truyn sóng, L Xác nh bng t s gia công sut bc x ca máy phát vi công sut anten thu nhn c Tn hao truyn sóng trong không gian t do gây ra bi s khuch tán tt yu ca sóng theo mi phng, công sut thu c ch là mt phn nh. Tn hao này gi là Tn hao không gian t do, Ltd Trng hp s dng anten vô hng, gi là tn hao c bn trong không gian t do, L0 1.5 Biu thc truyn lan sóng trong không gian t do (1.17) (1.19) (1.18) (1.20) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * H s suy gim, F Môi trng thc t có nhiu yu t nh hng ti quá trình truyn sóng, nh hng ti công sut thu Các nh hng ca môi trng thc lên quá trình truyn sóng c biu din qua h s suy gim: F Trong môi trng thc (1.24) (1.23) (1.22) (1.21) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * c im truyn lan sóng cc ngn Bc sóng t 1mm n 10m (30MHz – 300GHz): Là sóng siêu cao tn (RF – Radio Frequency) Phng pháp truyn Tn s cao nên không th phn x trong tng in ly (i xuyên qua) Bc sóng ngn nên kh nng nhiu x kém, b hp th mnh bi mt t Phng pháp truyn sóng không gian: Là phù hp nht Tán x tng i lu Siêu khúc x tng i lu Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip 2.1 Tng quát BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Tán x tng i lu Tn ti các vùng không gian không ng nht trong tng i lu Sóng i vào trong vùng không ng nht s khuych tán theo mi hng Li dng truyn sóng n im thu c im: Không n nh do vùng không ng nht luôn thay i 2.1 Tng quát BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Siêu khúc x tng i lu Ch s chit sut N gim theo cao. Khi tc gim t dN/dh < -0,157 (m-1) Tia sóng có bán kính cong ln hn cong trái t nên quay tr li mt t : Siêu khúc x Li dng truyn sóng n im thu sau khi phn x nhiu ln trên mt t c im: Không n nh do min siêu khúc x luôn thay i 2.1 Tng quát 1 2 3 4 5 4’ 5’ 4 gh h0 A B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip Hai anten thu và phát phi c t cao trên mt t tránh b che chn bi các vt cn trên ng truyn hay cong ca trái t Sóng truyn t phát n thu trong min không gian nhìn thy trc tip gia hai anten c im: Ít ph thuc vào iu kin thiên nhiên, s dng ph bin 2.1 Tng quát Hình 2.3 Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * S tuyn thông tin Kho sát quá trình truyn lan sóng vi iu kin lý tng Mt t là bng phng, không có vt cn trên ng truyn Khí quyn ng nht, ng hng và không hp th Anten t cao trên mt t ít nht vài bc sóng công tác () S truyn lan sóng 2.2 Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip vi iu kin lý tng Hình 2.4 Mô hình truyn sóng vi iu kin lý tng Sóng n im thu theo hai ng: + Sóng trc tip: i trc tip t phát n thu + Sóng phn x: n thu sau khi phn x t mt t (ch có mt tia tha mãn nh lut phn x) Tia 2 Tia 1 B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Cng in trng ti im thu Tng hp cng trng hai sóng thành phn (giao thoa) Cng trng do tia trc tip Cng trng do tia phn x 2.2 Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip vi iu kin lý tng (2.1) (2.2) (2.3) r1 : on ng i ca tia ti trc tip; r2 : on ng i ca tia phn x r: hiu s ng i ca hai tia r = r1-r2; k : h s sóng (= 2/) : h s phn x phc t mt t: , R: mô un, góc sai pha GT1 và GT2: h s khuch i ca anten phát theo hng tia trc tip và tia phn x R j RRe -q B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Cng in trng ti im thu Do chiu cao anten hT, hR <<r GT1 = GT2 = GT; r1 = r2 = r, nhng khi tính sai pha thì không b qua vì r = r2 – r1 Cng in trng do tia trc tip Cng in trng do tia phn x Cng in trng tng (2.4) (2.5) (2.6) 2.2 Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip vi iu kin lý tng BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Cng in trng ti im thu t = + k.r: Góc sai pha toàn phn. Chuyn dng hàm m sang hàm lng giác Cng in trng tng ti im thu H s suy gim trong trng hp mt t phng 2.2 Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip vi iu kin lý tng (2.7) (2.8) (2.9) (2.10) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Cng in trng ti im thu Vi tuyn xác nh: hT, hR, , , có th xác nh c ly thông tin r có h s suy gim t cc tr Cc i ti ( + k.r) = 2n. vi n = 1,2,… Cc tiu ti ( + k.r) = (2n + 1). vi n = 1,2,… 2.2 Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip vi iu kin lý tng BÀI GING MÔN B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Cng in trng ti im thu Hiu s ng i gia hai tia 2.2 Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip vi iu kin lý tng (2.11) Hình 2.5 Xác nh hiu s ng i gia hai tia B B’ B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Cng in trng ti im thu Do r >> hT, hR góc ti tia phn x rt ln ( 900) R 1; 1800 Công thc hp lý hóa Công thc giao thoa n gin 2.2 Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip vi iu kin lý tng (2.12) (2.13) (2.14) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Xác nh im giao thoa t cc tr Cc i Cc tiu 2.2 Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip vi iu kin lý tng (2.15) (2.16) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * Công thc Vvedensky Vi sin() = (rad) khi < 200, nên Công thc Vvedensky xác nh cng in trng ti c ly 2.2 Truyn lan trong gii hn nhìn thy trc tip vi iu kin lý tng (2.18) (2.17) (2.19) B MÔN: VÔ TUYN – KHOA VIN THÔNG 1 Trang * S tuyn thông tin khi k n cong trái t nh hng ca…