Tài liệu Lý thuyết về anten phát hình_chương 8 pdf

CHƯƠNG VIII: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN PHÁT HÌNH

Có rất nhiều vấn đề về anten mà các sách đã viết, song có lẽ viết về anten
phát hình thì hầu như rất ít tài liệu. Ở đây, người thực hiện nêu ra một số đặc điểm
cũng như các công thức tính toán tương đối dựa vào tài liệu nước ngoài.
Anten phát hình khác với anten thu hình, anten phát hình phải được thiết kế
để bảo đảm các yêu cầu cơ bản sau:
- Tạo biểu đồ hướng ngang theo yêu cầu cụ thể địa hình của đài phát hình
cần phủ sóng.
- Tạo biểu đồ hướng đứng càng hẹp càng tốt, có nghĩa là bức xạ đứng phải
cực tiểu.
- Tạo được góc nghiêng của búp hướng chính từ -0,5o ( 1o tùy theo độ cao
của anten.
- Đáp ứng tất cả các thông số kỹ thuật cần có.
Để tạo được một anten phát hình với công suất mong muốn, có rất nhiều
điều kiện phải được thỏa mãn. Sau đây, chúng ta tìm hiểu những đặc điểm về lan
truyền và các công thức tính để thiết kế anten phát hình.
I. SỰ TRUYỀN SÓNG RADIO TRONG KHÔNG GIAN:
1. Khái niệm về sóng Radio:
Sóng Radio còn được gọi là sóng vô tuyến, nó bao gồm từ dải sóng dài có
bước sóng hàng ngàn mét đến dải sóng cực ngắn có bước sóng dưới 10 mét và dải
sóng siêu ngắn có bước sóng centimet và milimét. Con ngưới đã dùng sóng vô
tuyến để làm sóng mang (carrier) truyền tải qua không gian các dạng tín hiệukhác
nhau tùy theo ý muốn. Người ta chia ra làm các loại sóng: sóng dài, sóng trung,
sóng ngắn, sóng cực ngắn. Ở dải sóng trung từ 200m - 3000m (1,5MHz (
100KHz), ở dải sóng ngắn từ 10m - 200m (30MHz ( 1,5 MHz) chủ yếu dùng để
phát thanh. Ở dải sóng cực ngắn dùng cho phát thanh FM, truyền hình, điều khiển
và nghiệp dư. Ở dải sóng siêu ngắn (viba), ngày nay được dùng cho mạng lưới
viba hỗn hợp chứa nhiều dạng tín hiệu, truyền tải được cả hai chiều.
Sóng Radio dược dùng làm sóng mang (carrier) để truyền tải tín hiệu có
ích dưới hai dạng điều biên (AM) hay điều tần (FM). Sóng này có dạng hình sin

và có tính chu kỳ.
Sóng radio mang tính chất sóng điện từ, nó có thể chuyển đổi lẫn nhau
trong không gian truyền dẫn từ dạng điện trường sang từ trường và ngược lại.

Anten phát bức xạ sóng điện từ ra không gian theo mặt cầu vô hướng như
hình vẽ sau:






* Mặt sóng và phương tuyến.


P
P P
P
P
P
E
E
E
E
E
E
Maët phaúng
soùng
Maët
soùng

Ở mỗi thời điểm trên mặt cầu các sóng bức xạ đều đồng pha nhưng có
biên độ thay đổi. Vectơ điện trườngĠ tiếp tuyến với mặt cầu, còn phương truyền p
thẳng góc vớiĠ. Nếu xét một đoạn mặt cầu thì sẽ được mặt phẳng sóng như hình
b.
Trong không gian truyền sóng, điện trường và từ trường có mối liên hệ với
nhau theo công thức:
Ω== 8876120 .
π
H
E

với E tính bằng V/m

H tính bằng A/m

Mối liên hệ trên được gọi là trở kháng sóng truyền lan trong không gian.
Vận tốc truyền lan của sóng điện từ trong không gian được tính theo công
thức:
εμ
c
v =

Với c : tốc độ ánh sáng (c=300.000km/s) hay 186.000 miles
(: hằng số điện môi của môi trường truyền sóng.
(: độ từ thẩm của môi trường truyền sóng.
Trong chân không, giá trị ( = ( = 1, nên tốc độ truyền lan sóng điện từ
bằng tốc độ ánh sáng. Còn trong không gian, giá trị ( và ( luôn lớn hơn 1 nên tốc
độ truyền lan nhỏ hơn tốc độ ánh sáng đôi chút.
Sóng Radio truyền lan trong khơng gian bao gồm hai thành phần: điện
trường E và từ trường H, được mơ tả ở dạng vectơ như hình sau:

Phát
E
P
H
90
0
Phương
truyền
Mặt phẳng làm việc
Thu
P
Phương truyền
Độ dải bước sóng
P
90
0
E
H
(a)
(b)
(c)

Hai vectơĠ vàĠ ln thẳng góc với nhau và nằm trong một mặt phẳng.
Còn phương truyền p ln ln thẳng góc với mặt phẳng chứaĠ vàĠ và hướng từ
tâm mặt cầu sóng ra ngồi. Giá trị cho p biểu thị năng lượng bức xạ qua 1m2 trong
1 giây và được tính:

π
120
2
E
HEp == .

Mặt phẳng chứa điện trường phân cực E và phương truyền sóng p được
gọi là mặt phẳng truyền sóng phân cực, gọi tắt là mặt phẳng phân cực. Ở đây, ta
đang xét mặt phẳng phân cực tuyến tính. Căn cứ vào đặc tính phân cực của truyền
lan sóng điện từ để thiết kế loại anten thích hợp. Phần lớn anten đều cho dạng sóng
phân cực tuyến tính, ví dụ như anten roi, anten cột hình trụ. Do q trình truyền
lan trong khơng gian có mơi trường khơng đồng nhất ở tầng điện ly do bụi, mây,
ion gây nên hiện tượng tán xạ và khúc xạ sóng truyền, làm thay đổi hướng phân
cực, một số phần tử chuyển thành phân cực ngang. Điều quan trọng là ta phải chú
ý để khắc phục các tác nhân này.
* Các đại lượng liên quan:
- Trong trường hợp phát đẳng hướng, công suất trung bình trên mặt cầu
được tính:

2
4 d
P
P
t
AV
π
=

trong đó: PAV : công suất trung bình trên đơn vị diện tích [W/m2].
Pt : công suất tổng [W].
d : bán kính của mặt cầu (khoảng cách từ trung tâm phát
đến điểm thu) (m).
- Góc mở hiệu dụng (effective aperture) Ae của anten thu có quan hệ với
khả năng thu năng lượng EM (electromagnetive) để cấp cho tải. Xét trường hợp
anten thu đặt trong mặt phẳng nhỏ của mặt cầu đẳng hướng thì:

π
λ
4
2
=
e
A

- Công suất phân phối trên tải:

()
2
2

2
4 d
P
P
t
L
π
λ
=

Trong đó :Ġ
- Tổn hao trên đường truyền từ trung tâm phát đẳng hướng đến anten thu:

L
t
dB
P
P
L
log
10=

Hoặc LdB = 20log d + 20log f + kd
Trong đó : d là cự ly truyền [m],
f là tần số sóng mang [MHz].
Kd là hằng số phụ thuộc vào đơn vị tính của d như sau:
kd = 32,4 nếu d tính bằng Km.
kd = 36,58 nếu d tính bằng miles theo quy chuẩn thông thường.
kd = 37,80 nếu d tính bằng miles dùng trong hàng hải.
kd = -37,87 nếu d tính bằng feet.

kd = -27,55 nếu d tính bằng mét.
* Sơ lược về cấu trúc tầng khí quyển:
Lớp khí quyển bao quanh trái đất có bề dày từ (2000 ( 3000) km, được cấu
tạo chủ yếu bằng khí nitơ, oxy và hơi nước, là môi trường truyền dẫn sóng khá tốt.
Nó được phân thành các lớp cơ bản sau đây:
- Tầng đối lưu (tropo layer, troposphere) nằm cách mặt đất từ 8 đến 18 km
và phân bố tùy theo vĩ độ. Ở miền nhiệt đới, lớp trên của tầng đối lưu ở độ cao từ
16 ( 18km, ở vĩ độ ôn đới hạ xuống từ 10 ( 12km, còn ở miền hàn đới (hai cực)
lại hạ xuống từ 8 ( 10km.
- Tầng bình lưu (stratosphere) nằm bên trên tầng đối lưu ở độ cao từ 60 (
80 km. Đặc trưng của tầng này là hoàn toàn không có hơi nước.
- Tầng ion: (ionsphere) hay tầng điện ly nằm bên trên tầng bình lưu, ở
thượng tầng khí quyển. Đặc trưng của tầng này là có nhiều phần tử tích điện, điện
tử và ion; được tạo nên là do sự bắn phá các phân tử khí trung hòa của các tia cực
tím, tia bức xạ của mặt trời, tia vũ trụ và của hàng chục ngàn dòng sao băng luôn
xâm nhập vào bầu khí quyển trong một ngày đêm, đã tạo nên quá trình ion hóa.
Mật độ ion ở tầng điện ly luôn biến đổi, theo đó sự truyền lan sóng Radio ở tầng
này cũng thay đổi theo.
Áp suất, nhiệt độ và độ ẩm sẽ giảm dần theo độ cao của lớp khí quyển. Nếu
tăng độ cao lên 1km (kể từ tầng đối lưu) thì nhiệt độ ở lớp dưới giảm 5oC, còn ở
lớp trên thì giảm 7oC.
2. Truyền lan sóng Radio:
Sóng Radio truyền lan trong không gian và trên mặt đất được mô tả như
hình sau:




H
H

D
3
D
2
D
1
Space Ware Pro agation