Anten và truyền sóng - TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN pptx

Anten và truyền sóng
Lecturer: M.Eng. P.T.A. Quang
TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN

1. Giới thiệu
2. Quá trình truyền sóng trong không gian
3. Truyền sóng trong tầng đối lưu
4. Truyền sóng trong tầng điện ly
5. Sóng mặt
6. Truyền sóng với tần số thấp và cực thấp
1. Giới thiệu
Sóng điện từ truyền trong bầu khí quyển của trái đất.
Dải tần: 100Hz ELF (Extremely low frequency)  300GHz EHF (Extremely high
frequency)
Tầng đối lưu (troposphere): vùng thấp của khí quyển (thấp hơn 10km)
Tầng điện ly (ionoshpere): từ 50 km đến 1000 km
Ảnh hưởng đến sóng: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, suy hao, phân cực
Giới thiệu
 Các hiện tượng ảnh hưởng đến truyền sóng vô tuyến và
ứng dụng
1. Sóng trực tiếp (line of sight): radar, tuyến
SHF từ mặt đất đến vệ tinh
Giới thiệu
2. Sóng trực tiếp cộng với phản xạ của mặt đất: VHF –
UHF broadcast, ground to air, air to air
3. Sóng mặt (sóng đất): AM broadcast, thông tin hàng hải
tầm ngắn
Giới thiệu
4. Bước nhảy ở tầng điện ly: MF HF broadcast, communication
5. Dẫn sóng nhờ tầng điện ly: VLF LF communication
Giới thiệu

6. Đường do tầng đối lưu: tuyến microwave, over the
horizon (OTH) radar and communication
7. Nhiễu xạ mặt đất
8. Truyền sóng tầm thấp và bề mặt
Band name
Abbr.
ITU
Frequency
Examples
Tremendously
low freq.
TLF
<3Hz
Natural and man-made electromagnetic
noise
Extremely low
freq.
ELF
3-30 Hz
Communication with submarine
Super low freq.
SLF
30-300Hz
Ultra low freq.
ULF
300-3000Hz
Submarine communications, comm.
within mines
Very low freq.
VLF

4
3-30 KHz
Navigation, time signals,…
Low freq.
LF
5
30-300 KHz
Navigation, AM , RFID, amateur radio,…
Medium freq.
MF
6
300-3000 KHz
AM, amateur radio,…
High freq.
HF
7
3-30 MHz
RFID, OTH radar,…
Very high freq.
VHF
8
30-300MHz
FM, TV, amateur radio,…
Ultra high freq.
UHF
9
300-3000 MHz
TV, WLAN, Bluetooth, Zigbee,…
Super high freq.
SHF

10
3-30 GHz
WLAN, satellite,…
Extremely high
freq.
EHF
11
30-300 GHz
Microwave remote sensing, radio
astronomy,…
Tremendous high
freq.
THF
12
300-3000 GHz
Medical applications
2. Quá trình truyền trong không gian
2
2
[ / ]
4
T
Di
P
P w m
d


Mật độ công suất phát trung bình đẳng hướng
Diện tích bề mặt của

quả cầu bán kính d
Công suất phát trung
bình
Mật độ công suất phát theo hướng cực đại
2
4
TT
D Di T
PG
P P G
d


2. Quá trình truyền trong không gian
Phương trình cơ bản truyền sóng trong không
gian tự do
3
2
0.57 10
()
R
TR
T
P
x
GG
P df






   
10 10
(32.5 20log 20log )
R
TR
dB dB
T
dB
P
G G d d
P

    


Hệ số suy hao đường truyền L
2
4







d
GG
P

P
RT
T
R



d(km), f(MHz)
Vệ tinh ở độ cao 36000km, tần số được dùng là
4000MHz, độ lợi anten phát là 15dB và độ lợi anten
thu 45dB. Tìm hệ số suy hao đường truyền và công
suất thu được khi công suất phát là 200W
Ví dụ
2. Quá trình truyền trong không gian
2. Quá trình truyền trong không gian
Thông thường tại đầu anten thu phải tìm được
cường độ điện trường
0 D
E Z P
0
120Z


2
4
TT
D Di T
PG
P P G
d



30
( / )
TD
PP
E V m
d

Trong không khí , trở kháng sóng
2.2. Các hệ thống vi ba
• Các sóng điện từ vi ba: > 1GHz, hoạt động theo
phương truyền thẳng (LOS: line – of - side)
• Tần số sóng mang thuộc dải tần 3 – 12 GHz
• Vì sóng vi ba truyền thẳng nên cần có trạm lặp
trong vòng 50 km
• Công suất thấp (có thể <1W) vì dùng các anten có
độ lợi hướng tính cao
.
3 Truyền sóng trong tầng đối lưu
Tầng đối lưu là vùng khí quyển nằm kế cận bề mặt trái
đất và có độ cao hàng chục km. Trong vùng này điều
kiện truyền sóng trong không gian tự do bị thay đổi do:
- Bề mặt cong của trái đất
- Do bầu khí quyển
3.1 Các mode truyền sóng
3.1 các mode truyền sóng
Cường độ điện trường tại anten thu
0
2

2
sin
TR
R
E
hh
E
dd






0
30
1
TD
PP
E
m

3 Truyền sóng trong tầng đối lưu
Cường độ điện trường tại anten thu
0
2
2
sin
TR
R

E
hh
E
dd






2
0.5
TR
hh
rad
d






0
2
4
TR
R
hh
EE
d




3.1 Các mode truyền sóng
Bài tập: Trong hệ thống phát sóng di động VHF, trạm
chính phát công suất 100W ở tần số 150MHz, và
anten cao 20m. Anten phát là dipole với độ lợi là
1.64. Tính cường độ trường tại anten thu cao 2m
cách đó 40km.
/2

3.2 Đường chân trời vô tuyến
3.3 Bản đồ cong
3.4 Siêu khúc xạ và khúc xạ phụ
3.5 Suy hao trong tầng khí quyển
Các sóng siêu cao tần >10GHZ bị ảnh hưởng mạnh bởi các
điều kiện khí quyển.
Mưa nặng hạt làm suy hao nghiêm trọng các sóng điện từ
>10GHz.
Mưa vừa và mây, sương mù ảnh hưởng suy hao nghiêm trọng
đến các sóng điện từ có tần số > 30GHz
3.6 Các hệ thống vô tuyến VHF/UHF
Dải tần từ 30MHz – 3GHz
Truyền trong tầng đối lưu
Công dụng chủ yếu của đường truyền thông tin hai chiều trong dải UHF và
VHF là hệ thống thông tin giữa một trạm cố định và hàng trăm đơn vị di
động, được đặt trên xe cộ, tàu thủy, máy bay trong các dải tần từ 30-
470MHz.
Các ứng dụng cụ thể là các tháp điều khiển không lưu, cứu hóa, điều khiển
tàu bè, truyền hình, cảnh sát, quân đôi

Công suất phát trong cả đơn vị di động và trạm cố định thông thường giới
hạn 150W.
Điện áp cung cấp cho các thiết bị di động thông thường từ 12V cho các
thiết bị di động thông thường, 28V và 48V cho máy bay.
Các trạm cố định thông thường hoạt động trực tiếp ở 110V, 6Hz.
4. Truyền sóng trong tầng điện ly
4.1 Các lớp trong tầng điện ly
Các lớp khí quyển trên cao bị ion hóa hình thành lớp điện ly.
Người ta chia tầng điện ly thành các lớp con C,D, E,F1 và F2
Trong thời gian ban đêm chỉ có lớp F2 vẫn tồn tại.
Lớp C và D: 60 – 80km, tần số phản xạ thấp và rất thấp
Lớp E: 110km, tần số tới hạn, xấp xỉ 4MHz, cự ly lớn nhất
truyền sóng ~2350km
Lớp F1: 180km, tần số tới hạn ~5Mhz, cự ly cực đại truyền
sóng ~3000km.
Lớp F2: 300km ban ngày, 350 km ban đêm. Tần số tới hạn
~8MHz ban ngày, ~ 6Mhz ban đêm. Cự ly lớn nhất truyền
sóng ~3840km ban ngày.
4.2 Tần số plasma và tần số tới hạn
Khi sóng điện từ đi vào một vùng điện ly theo phương thẳng đứng,
trường điện từ tác động một lực lên các điện tích (electron và ion)
- các hạt điện tích di chuyển hình thành dòng điện.
Vận tốc góc sóng hay còn gọi vận tốc góc plasma
2
2
0
e
N
Nq
m




mât độ electron
Giá trị tuyệt đối của diện tích
electron
Khối lượng electron
Hằng số điện môi trong
không gian tự do
4.2 Tần số plasma và tần số tới hạn
Khi sóng điện từ đi vào một vùng điện ly theo phương thẳng đứng,
trường điện từ tác động một lực lên các điện tích (electron và ion)
- các hạt điện tích di chuyển hình thành dòng điện.
Vận tốc góc sóng hay còn gọi vận tốc góc plasma
2
2
0
e
N
Nq
m



0 max
9fN
mât độ electron
Giá trị tuyệt đối của diện tích
electron
Khối lượng electron Hằng số điện môi trong

không gian tự do
Tần số cao nhất để sóng có thể phản xạ từ lớp được xác
định trước với mật độ electron cao nhất:
4.3 Vận tốc pha và vận tốc nhóm
4.4 Định luật Secant và tần số
4.5 Tần số làm việc tối ưu
4.6 Đô cao biểu kiến
Độ cao biểu kiến là độ cao mà ở đó sóng được xem như
phản xạ với hằng số vận tốc c.
Việc đo độ cao biểu kiến được thực hiện bằng một thiết bị
gọi là ionsode. Phương pháp cơ bản là phát thẳng đứng một
xung điều chế với thời gian xung 15microgiây. Tín hiệu phản
xạ được thu gần điểm phát và thời gian T cần cho toàn bộ
quá trình đó. Độ cao biểu kiến khi đó là:
2
cT
h 
4.6 Đô cao biểu kiến
1
2 sin cos
2
a
da
ah




   
  

   


   

2
tan
h
TR


Giả sử mặt đất phẳng và các điều kiện của thầng điện ly đối
xứng cho cả sóng tới và sóng phản xạ, cự ly truyền sóng
Cự ly truyền sóng tính tới độ cong của trái đất
4.6 Đô cao biểu kiến
Ví dụ: Tính cự ly thông tin cho quá trình truyền trong tầng
điện ly ở lớp có độ cao biểu kiến là 200km. Góc ngẩng của
chùm tia 30
0
. Giả sử mặt đất phẳng