Bài giảng Chương 2: Truyền sóng và anten trong viễn thông môn Truyền sóng và anten | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

BÀI GIẢNG TRUYỀN SÓNG VÀANTEN Bộ môn:
Vô tuyến Khoa: Viễn Thông 1 Học kỳ/Năm biên soạn: II/2014 www.ptit.edu.vn CHƯƠNG 2:
TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN 2
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung • 2.1 Tổng Quát
• 2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với iều kiện lý tưởng
• 2.3 Ảnh hưởng của ộ cong trái ất
• 2.4 Ảnh hưởng của ịa hình
• 2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
• 2.6 Pha ing và các biện pháp chống
• 2.7 Câu hỏi và bài tập 3
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung • 2.1 Tổng Quát
• 2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với iều kiện lý tưởng
• 2.3 Ảnh hưởng của ộ cong trái ất
• 2.4 Ảnh hưởng của ịa hình
• 2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
• 2.6 Pha ing và các biện pháp chống
• 2.7 Câu hỏi và bài tập 4
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN 2.1 – Tổng Quát • Đặc iểm
• Bước sóng từ 1mm ến 10m (3MHz ến 300 GHz) – Sóng siêu cao tần
• Không phản xạ ở tầng iện ly ( i xuyên qua)
• Bước sóng ngắn => khả năng nhiễu xạ kém và bị mặt ất hấp thụ • Phương pháp truyền
• Truyền lan sóng không gian • Tán xạ tầng ối lưu
• Siêu khúc xạ tầng ối lưu
• Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp 5
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN 2.1 – Tổng Quát • Phương pháp truyền
• Tán xạ tầng ối lưu
• Tồn tại các vùng không gian không ồng nhất trong tầng ối lưu
• Sóng i vào khoảng giao giữa các vùng không ồng nhất sẽ khuếch tán theo mọi hướng => Lợi dụng ể truyền sóng ến iểm thu • Đặc iểm: Không ổn
ịnh do các vùng không ồng nhất luôn thay ổi.
Hình 2.1: Tán xạ tầng ối lưu 6
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN 2.1 – Tổng Quát • Phương pháp truyền • Siêu khúc xạ tầng ối lưu
• Chiết suất N của không khí giảm theo ộ cao • Khi tốc
ộ giảm theo ộ cao 𝑑𝑁 nhỏ hơn – 0,157(m-1) => Tia sóng có bán kính 𝑑ℎ
cong lớn hơn bán kính cong trái ất nên quay trở lại mặt ất <=> Siêu khúc xạ • Truyền sóng ến
iểm thu sau một hoặc nhiều lần phản xạ trên mặt ất
• Đặc iểm: Không ổn ịnh do miền siêu khúc xạ luôn thay ổi và yêu cầu nguồn phát công suất lớn. Hình 2.2: Tán xạ tầng ối lưu 7
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN 2.1 – Tổng Quát • Phương pháp truyền
• Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp
• Anten thu và phát ặt cao ể tránh vật cản hoặc
ộ cong của bề mặt trái ất.
• Sóng truyền trực tiếp trong miền không gian nhìn thấy trực tiếp (Line of Sign LOS) của hai anten. • Đặc
iểm: Ít chịu ảnh hưởng của
iều kiện tự nhiên => Được sử dụng phổ biến
Hình 2.3: Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp 8
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung • 2.1 Tổng Quát
• 2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với iều kiện lý tưởng
• 2.3 Ảnh hưởng của ộ cong trái ất
• 2.4 Ảnh hưởng của ịa hình
• 2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
• 2.6 Pha ing và các biện pháp chống
• 2.7 Câu hỏi và bài tập 9
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực
tiếp với iều kiện lý tưởng.
• Sơ ồ tuyến thông tin
• Khảo sát quá trình truyền lan sóng với iều kiện lý tưởng • Mặt
ất phẳng, không có vật cản trên ường truyền • Khí quyển
ồng nhất, ẳng hướng và không hấp thụ
• Anten ặt cách mặt ất ít nhất vài bước sóngcôngtác( λ ) • Sơ ồtruyền sóng A Tia trực tiếp (E1) B h t Tia phản xạ (E2) h r C r
Hình 2.4: Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp 10
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực
tiếp với iều kiện lý tưởng. • Cường ộ iện trường tại iểm thu • Tổng cường ộ
iện trường của 2 sóng thành phần giao thoa E E ER = +12 (2.1) • Cường ộ
iện trường do tia trực tiếp: 245 PT kW( )GT1 j tω E = 1 e (mV m/ ) (2.2) r1(km) • Cường ộ
iện trường do tia phản xạ
245 PT kW( )GT 2 e j(ωt k r− ∆ ) (mV m/ ) (2.3) E = 2 R r2(km)
r1, r2 : oạn ường i của tia trực tiếp và tia phản xạ
Δr :hiệu số ường i của hai tia ∆𝑟= 𝑟1−𝑟2 GT1, GT2 :
Hệ số tăng ích của anten phát theo phương trực tiếp và phản xạ k: hệ số sóng (𝑘=2𝜋/λ)
𝑅ത: Hệ số phản xạ phức từ mặt ất 𝑅 = 𝑅. 𝑒ത 𝑗𝜃 R: môdul, θ: góc sai pha 11
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp
với iều kiện lý tưởng.
• Cường ộ iệntrườngtại iểm thu
• Doh t ,h r << rnênG T1 = G T2 = G T vàr 1 = r 2 = r
• Trongtínhtoánpha: Δ r=r 2 - r 1 ≈λ không bỏ qua ược
• Cường ộ iệntrường dotia trựctiếp : 245 T
P (k W ) T G jt ω = (2.4) 1 E e ( mV / m ) ( r km)
• Cường ộ iệntrường dotia phảnxạ 2 −−∆ 245 P G π j ( T ( k W ) T t ωθ r ) E λ = (2.5) 2 R e ( mV / m ) ( r km) • Điệntrườngtổng : 2 − +∆ 245 P G π j (
T (k W ) T θ r ) λ jt = + = + EE ω (2.6) 1 E2 1 Re e ( mV / m ) ( r km) 12
Bộ môn: Vô Tuyến– Khoa Viễn Thông1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực
tiếp với iều kiện lý tưởng. • Cường ộ iện trường tại iểm thu
• 𝛽 = 𝜃 + 𝑘. ∆𝑟 : góc sai pha toàn phần
• Chuyển sang dạng hàm lượng giác:
1+ Re. − jβ= +1
Rc. osβ− jRsinβ= +1
2Rc. osβ+ R e2. − jϕ (2.7) tgϕ= R.sinβ
• Điện trường tổng tại iểm thu: 245 P
G . 1+ 2R osc β+R2 E = T kW( ) T .e j(ωϕt− ) (mV m/ ) (2.8) r(km)
• Điện trường hiệu dụng 173 T
P (k W ) T G 2 . 1 + c β + R 2 R o s Eh =(mV m/ ) (2.9) r (km) 13
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực
tiếp với iều kiện lý tưởng. • Cường ộ
iện trường tại ểm thu
• Hệ số suy giảm trong trường hợp mặt ất phẳng
F= +1 2Rcosβ+ =R F2
( )β (1−R F≤ ≤1+R) (2.10)
• Với tuyến xác ịnh: ht, hr, λ, θ có thể xác ịnh cự ly thông tin r ể có hệ số suy giảm ạt cực trị • Cực ại tại:
𝜃 + 𝑘∆𝑟 = 2𝑛𝜋 với n = 1, 2… • Cực tiểu tại:
𝜃 + 𝑘∆𝑟 = (2𝑛 + 1)𝜋 với n = 1, 2… 14
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực
tiếp với iều kiện lý tưởng.
• Cường ộ iện trường tại iểm thu
• Hiệu số ường i giữa hai tia ∆r
r12 = AB2 = −(hr ht )2 +r2 r 2 2
= (AB ')2 = +(hr ht )2 +r2
Hình 2.5: Hiệu số ường i của 2 tia 2 2 − 2 r 1r r 2 2 2 − = −r1 (r2 r r1)( 2 + 2 r 1r +r ) 1 ⇒ ∆ =r ∆ =r 2hht r ( )m (2.11) r 15
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực
tiếp với iều kiện lý tưởng. • Cường ộ
iện trường tại ểm thu
• Do r >> ht,hr → góc tới của tia phản xạ ≈ 90°, hệ số phản xạ R ≈ 1, θ ≈ 180°
F= +1 2Rcosβ+R2 F = 1 2+ Rcos θ+4πhhλt r +R2 r F = 2−2cos 4πhhλtr = 2 sin 2πrhhλt r (2.12) r
• Điện trường tổng hợp - Công thức giao thoa ơn giản 346 PT kW( )GT
2πh ht m( ) r m( ) = Eh r(km) . sin
r(m)λ(m) (mV m/) (2.13) 490 P G 2π E = r(kmT kW() ) T . sin
rh h( ) ( )mt m( )λmr m( ) e j(ωϕt− ) (mV m/ ) (2.14) 16
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực
tiếp với iều kiện lý tưởng. • Cường ộ iện trường tại iểm thu • Xác ịnh
iểm giao thoa ạt cực trị • Cực ại: 2πhh sin λt r =1 ⇔ sin 2πrhhλtr =±1 r 2πhht r
(2n+1 .) π n= 0,1,2,... = rλ 2 4 t = hhr r _ n m ( ) m (2.15) ax ( 21 n+ ) λ • Cực tiểu: 2πhh sin rλt r = 0 ⇔
2πhhλt r =(n+1 .)π n= 0,1,2,... r 2 t = hhr n r _m in ( ( ) m + n ) 1 λ (2.16) 17
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực
tiếp với iều kiện lý tưởng. • Cường ộ
iện trường tại ểm thu
• Công thức Vvedenski (Vơvedenski - USSR) • Với α
(rad) hay ℎ𝑡ℎ𝑟 < 𝑟. λ/18 thì (2.17) sin t r ≈ 2πhht r 2πhh λ λr r • Ta có: 4 π t hh r F (2.18) = λr 2 17 , T
P ( kW ) T G . (t
h h )m r( )m = (2.19) h E ( mV / m 2 ) r λ ( km ) ( ) m
Công thứcVơvedenski xác ịnhcường ộ iệntrườnghiệudụngtạicự ly: 18 t hh r r > λ 18
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực
• Cường ộiệntrườngtại iểm thu 346 π T
P (k W ) T G 2 ( tm hh ) ( rm ) E = h .sin ( mV / m ) λ ( r km )
(r m) ( m)
• Các trườnghợp ặcbiệt 2 πhh λ
tiếp với iều kiện lý tưởng. • a) sin t r = 0,5⇒hht
r = r λr 12
Cường ộ trường tại iểm thu bằng cường ộ trường của tia trực tiếp 2πhh λ • b) sin t r =1⇒hht
r = r λr 4
Cường ộ trường tại iểm thu bằng 2 lần cường ộ trường của tia trực tiếp 19
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung • 2.1 Tổng Quát
• 2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với iều kiện lý tưởng
• 2.3 Ảnh hưởng của ộ cong trái ất
• 2.4 Ảnh hưởng của ịa hình
• 2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
• 2.6 Pha ing và các biện pháp chống
• 2.7 Câu hỏi và bài tập 20
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.3 Ảnh hưởng của ộ cong trái ất •
Ảnh hưởng ến tuyến thông tin •
Hiệu số ường i của tia trực tiếp và tia phản xạ thay ổi •
Điểm phản xạ lồi nên có tính tán xạ → Hệ số phản xạ nhỏ • Hạn chế
tầm nhìn trực tiếp giữa Anten thu và Anten phát
Hình 2.6: Mô hình truyền sóng trong trường hợp tính ến ộ cong của mặt ất 21
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.3 Ảnh hưởng của ộ cong trái ất
• Cự ly nhìn thấy trực tiếp r = A CCB + AC = ( ah + −= + ≈ t ) 2 2 2 a 2 a t hh t 2 a th ( t h a) CB = ( ah + − ≈ r ) 2 2 a 2 a r h ( r h a) a 2 ( + (2.20) t h r h ) () m
• Công thức thực nghiệm a = 6370 km = + (2.21) 0 r 3 ,57 ( h h km Hình tm rm ) () () ( )
2.7: Cự ly nhìn thấy trực tiếp
• Là cự ly lớn nhất có thể nhìn thấy ược với ộ cao của anten: ht, hr 0 r0 = 22
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.3 Ảnh hưởng của ộ cong trái ất • Cường ộ trường tại iểm thu
• Quá trình truyền sóng ở cự ly nhỏ hơn cự ly nhìn thấy trực tiếp
• Chiều cao của anten xác ịnh bằng chiều cao giả ịnh h’t và h’r
• Giá trị chiều cao của anten giả ịnh xác ịnh bằng hệ số bù m (tra theo bảng hoặc ồ
thị - phụ thuộc hệ ịa lý) h h ' ' = t . r mhht r (2.22) ∆ =r 2mhht r (m) (2.23) r F = 4πmhhtr (2.24) λr 2,17 P G mh h. Eh =
T kW( 2) λT m t m( ) r m( ) (mV m) (2.25) r(km) ( )
23 Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung • 2.1 Tổng Quát
• 2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với iều kiện lý tưởng
• 2.3 Ảnh hưởng của ộ cong trái ất
• 2.4 Ảnh hưởng của ịa hình
• 2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
• 2.6 Pha ing và các biện pháp chống
• 2.7 Câu hỏi và bài tập 24
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.4 Ảnh hưởng của ịa hình
• Độgồghềcủamặtấttới tia phảnxạ • Hiệntượng tán xạ • Tiêu chuẩn Rayleigh λ h < () m (2.26) 8 sin θ
h: ộ cao của mặt ất phẳng
giả ịnh so với mặt ất thực Hình 2.8 :M
ặt cắt ịa hình thực
θ: góc tới tại iểm phản xạ
• Khitiêu chuẩn Rayleigh ượcthoả mãn
• Tia phảnxạ không bị tán xạ
• Mặt ất ược coilà phẳng
Hình 2.9: Mô hình tiêu chuẩn Rayleigh 25
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN Nội dung • 2.1 Tổng Quát
• 2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với iều kiện lý tưởng
• 2.3 Ảnh hưởng của ộ cong trái ất
• 2.4 Ảnh hưởng của ịa hình
• 2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
• 2.6 Pha ing và các biện pháp chống
• 2.7 Câu hỏi và bài tập 26
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
• Chiếtsuất ( n)và chỉsốchiếtsuất ( N ) , c ε − , 1 n == ε 1 =+ v 2 (2.27) 6 N 10( = n 1) −
• Chiết suất của tầng ối lưu n ≈ 1 nên trong tính toán ể chính xác ta sử dụng chỉ số chiết suất N
• Tầng ối lưu không ồng nhất → chiết suất thay ổi theo không gian và thời gian
• Sự thay ổi của chiết suất theo ộ cao ảnh hưởng tới quá trình truyền sóng. Khúc xạ khí quyển → quĩ ạo truyền sóng bị bẻ cong
Hình 2.9: Mô hình tiêu chuẩn Rayleigh
Giảng viên: Nguyễn Việt Hưng 27
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN • Bánkínhcong của sóng
• Chia tầng ốilưu thành từnglớp mỏng ồngnhấtvới ộ dàydhvà
chiếtsuất thay ổimộtlượng dn ab R = d ϕ dh dh dh ab = ≈ d ϕϕα R ⇒= os c ( ( ) ϕϕ +d ) os c ϕ o c sd ϕϕ Hình 2.9: B
án kính cong của sóng
2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
nsinϕ= +(n dn).sin(ϕ ϕ ϕϕ+d )⇔ cos d =− sin dϕn n ⇒ =R n 1 106 sinϕ −dn ⇒ =R dn = dN (2.28) dh − −
(h ht , r r⇒ =ϕ 90o,n=1) dh dh 28
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 lOMoAR cPSD| 58977565 9/12/2019 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
• Bán kính cong của sóng • 𝑑𝑁 >0 → Cong lên 𝑑ℎ →𝑅 <0 • 𝑑𝑁 →𝑅 → Cong xuống 𝑑ℎ <0 >0 • 𝑑𝑁 =0 → Truyền thẳng 𝑑ℎ →𝑅=∞ 29 Bộ
môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
• Bán kính tương ương của trái ất
• Bán kính thực của trái ất a = 6370 km, tia sóng truyền với bán kinh cong R
Sóng truyền thẳng R = ∞ với bán kính tương ương a td
Hình 2.9: Bán kính cong quĩ ạo và bán kính trái ất tư ng ứng 30 Bộ
môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 Downloaded by Anh Tuyet (anhtuyet52@gmail.com) 19 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu • Bán kính tương ương của trái ất
• Bán kính thực của trái ất a = 6370 km, tia sóng truyền với bán kinh
cong R ↔ Sóng truyền thẳng R = với bán kính tương ương atd
• Thoả mãn: Độ cong tương
ối giữa tia sóng và mặt ất không ổi. 1 1 1 1 a a − = − ⇔ atd = = (2.29) a R atd ∞ 1− a 1+adN .10−6 R dh • Ví dụ: dN ( ) −2 −1 ⇔ atd = 8500km =−4.10 m dh 31
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1 www.ptit.edu.vn TRUYỀN SÓNG & ANTEN
2.5 Ảnh hưởng của tầng ối lưu
• Hệ số cong của tia sóng k
k=atd = 1 (2.29) a +adN .10−6 1 dh •
Cự ly nhìn thấy trực tiếp r , ) ( )
0 = 2ka( ht + hr m (2.30)
• Độ cao giả của anten ) ' = −(AC1 2 (2.32) h h 2ak 32
Bộ môn: Vô Tuyến – Khoa Viễn Thông 1