Bài giảng Anten và truyền sóng (tiếp)

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 24 T T D Di T P G 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 T R T P x G G P df            10 10(32.5 20log 20log ) R T RdB 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 DE Z P 0 120Z   24 T T D Di T P G P P G d   30 ( / )T D P P 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 02 2sin T RR E h h E d d          0 30 1 T DP P E m  3 Truyền sóng trong tầng đối lưu Cường độ điện trường tại anten thu 02 2sin T RR E h h E d d          2 0.5T R h h rad d         0 2 4 T R R h h E E 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 max9f N 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 12 sin cos 2 a d a a h                    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 300 . Giả sử mặt đất phẳng 5 Sóng mặt Quá trình truyền sóng gần với mặt đất sẽ theo một đường cong của bề mặt trái đất do ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xạ. Ảnh hưởng của nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng. Tần số giới hạn 2MHz. 5.1 Các chế độ truyền sóng 30 T TA P G E d  Cường độ điện trường Hệ số suy hao 6 Truyền sóng với tần số thấp và tần số rất thấp Dải tần số thấp: 30 – 300kHz Dải tần số rất thấp: 3 – 30kHz Do tần số sóng mang thấp và băng thông hẹp, các kênh truyền thông bị giới hạn tốc độ truyền dữ liệu thấp. 6 Truyền sóng với tần số cực thấp Dải tần: 30 – 300Hz, dùng để truyền tín hiệu qua các độ sâu qua mặt đất và đại dương. Vì bước sóng dài lên cần anten phát lớn Công suất cung cấp cho anten phát 3.88MHW, suy hao trên vật dẫn 43%, 11% trên đầu cuối với đất của anten, 46% từ điện trở đất và dây dẫn, phần còn lại khoảng 69W là công suất bức xạ. 6 Truyền sóng với tần số cực thấp Ví dụ: Nước biển có độ dẫn điện trung bình là 4S/m và hằng số điện môi tương đối là 80. Tính hệ số suy hao theo dB/m cho tín hiệu a)100Hz và b) 1MHz Tại 100Hz: 7 12 4 8.9 10 2 100 80 8.85 10 x x x x x      