VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG - iop.vast.ac.vnnvthanh/cours/votuyendien/CH15 Antenna va... · Mật độ công suất trung bình theo phương z •Đơn vị đo : W/m2. 6

VÔ TUYẾN ĐIỆN

ĐẠI CƯƠNG

TS. Ngô Văn Thanh

Viện Vật Lý

Hà Nội - 2016

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 2

Tài liệu tham khảo

[1] David B. Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999).

[2] Dennis L. Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge University Press 2011).

[3] Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge University Press 2009).

[4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT

[5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT

[6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT

Website : http://iop.vast.ac.vn/~nvthanh/cours/votuyendien/

Email : [email protected]


CHƯƠNG 15. ANTENNA VÀ TRUYỀN SÓNG

1. Sóng radio 9. Antenna lưỡng cực

2. Trở kháng 10. Antenna que

3. Góc khối và hướng 11. Tầng điện ly

4. Antenna phát sóng 12. Sóng radio trong tầng

5. Antenna thu sóng điện ly

6. Công thức Friis 13. Tần số tới hạn

7. Định lý antenna 14. Tần số khả dụng cực đại

8. Nguyên lý đảo


1. Sóng radio

Radio Waves Hệ phương trình Maxwell của các sóng phằng

trong không gian tự do

Đạo hàm theo thời gian của một phaso được thay bởi

• : độ từ thẩm và điện môi

Giả thiết, trong mặt phẳng sóng, chỉ có dao động theo trục z

Trường điện từ biến đổi theo hàm e mũ :

Viết lại các phương trình Maxwell

Điện trường và từ trường chỉ có các thành phần theo trục x và y


1. Sóng radio

Xét trường hợp phân cực tuyến tính : các trường chỉ nằm trên một trục

• Quay hệ trục sao cho điện trường nằm theo trục x

Từ trường phải hướng theo trục y

Trở kháng của sóng :

Hằng số pha :

Vận tốc truyền sóng :

Mật độ công suất trung bình theo phương z

• Đơn vị đo : W/m2


2. Trở kháng

Impedance

Xét mạch điện mà antenna phát sóng đóng vai trò là tải

Trở kháng của tải : Z

Cường độ dòng điện : I

Công suất phát sóng

Có 2 loại công suất:

• Công suất hấp thụ của vật liệu chế tạo ra antenna

• Công suất phát sóng thực

Tách điện trở của antenna thành 2 thành phần điện trở

• Điện trở phát sóng (radiation) :

• Điện trở tiêu hao (loss) :

Tổng trở

Hiệu suất phát sóng :

Mạch tương đương Thevenin với nguồn điện áp Vo


3. Góc khối và hướng

Directions and Solid Angles

Các tham số hướng

Zenith : đỉnh

Elevation : góc nâng

Azimuth : góc phương vị

Góc khối

: góc khối là diện tích hình chiếu của mặt S lên hình cầu đơn vị (4)

: góc phẳng = hình chiếu của đường cong C lên đường tròn đơn vị (2)


4. Antenna phát sóng

Transmitting Antennas Định nghĩa : độ lợi của antenna phát sóng (đại lượng không thứ nguyên)

• Sr : mật độ công suất cực đại của antenna chuẩn

• S : mật độ công suất có đơn vị đo : W/m2

Mật độ công suất của antenna đẳng hướng chuẩn tỷ lệ với công suất phát sóng

r : khoảng cách từ antenna

Độ lợi :

Trường hợp antenna lý tưởng (không suy hao = lossless)

Mật độ công suất tính theo đơn vị góc khối :

Viết lại tích phân


5. Antenna thu sóng

Receiving Antennas

Đặc trưng:

Độ dài hiệu dùng và diện tích hiệu dụng

Điện áp tương đương Vo

h : độ dài hiệu dụng và E là điện trường tới

Antenna lưỡng cực

Gồm 1 cặp dây với tổng độ dài =

: góc tới của điện trường

Điện áp hai cực antenna :

Quay antenna theo hướng phân cực của sóng tới

• Độ dài hiệu dụng của antenna


5. Antenna thu sóng

Diện tích hiệu dụng của trạm thu

• Pr : công suất thu được từ antenna

• S : mật độ công suất tới

Cách viết khác

• : bước sóng

Xét mạch tương đương, viết lại công suất thu được

Thay các công thức ở phần trước vào ta có

Cuối cùng ta xác định được diện tích hiệu dụng


6. Công thức Friis

Friis Formula

Tính toán các mức tín hiệu trong truyền thông

r : khoảng cách giữa trạm thu-phát

Mật độ công suất :

Công suất thu :

A : diện tích hiệu dụng của antenna thu

Tính toán hình học

• h : chiều cao của antenna; a : bán kính của trái đất

• Xác định khoảng cách :

• Sử dụng điều kiện :

• Suy ra được

Thực tế : mặt sóng truyền đi với vận tốc khác nhau

• Bán kính hiệu dụng của trái đất :

• Cuối cùng ta thu được :


7. Định lý antenna

Antenna Theorem Điều kiện cho antenna lý tưởng

Đối với phân cực đơn, năng lượng

nhiệt trên một đơn vị tần số và

trên một đơn vị thể tích :

Độ sáng chói (brightness) :

Biểu thức khác của năng lượng nhiệt

Suy ra biểu thức cho định lý:



Reciprocity Đối với antenna, biểu thức liên hệ giữa độ lợi và diện tích hiệu dụng :

Trong một mạch điện, volt kế lý tưởng và nguồn dòng điện lý tưởng có thể đổi vị trí cho nhau mà không làm thay đổi số đo của volt kế

Xét mạch điện :

Mạch phát sóng điều khiển

bằng nguồn dòng điện I

Mạch thu sóng nhận được

điện áp V : (mạch hở)

Công suất phát sóng :

Công suất thu :

Mặt khác ta lại có :



Từ hai công thức cho Pr , ta có biểu thức liên hệ

suy ra:

Tráo đổi vị trí điện áp và nguồn dòng, ta dễ dàng có được hệ thức

Định nghĩa của độ lợi :

Định lý về antenna :

Nếu là hằng số, không phụ thuộc vào góc, ta có biểu thức liên hệ :


9. Antenna lưỡng cực

Dipoles Sử dụng công thức cho diện tích hiệu dụng, ta có

Sử dụng công thức :

Biểu diễn trong toạ độ cầu :

Đổi biến tích phân:

thay


10. Antenna que

Whip Antennas Antenna đơn cực theo phương thẳng đứng

• Một cực tiếp mát

• Độ dài hiệu dung tăng gấp đôi

do sóng phản xạ từ mặt đất

• Góc tới chỉ lấy giá trị từ 0 - /2

Điện trở của antenna :

Xét antenna có thêm 2 que

Antenna giàn

Mỗi đoạn antenna làm tăng thêm 2 lần độ dài hiệu dụng


11. Tầng điện ly

Ionosphere Trong khí quyển có chứa các điện tử bị ion hoá

Tầng điện ly nằm ở độ cao khoảng 300 km


12. Sóng radio trong tầng điện ly

Radio Waves in the Ionosphere Xét định luật II của Newton, bỏ qua ảnh hưởng của từ trường và sự va chạm

• Điện tích của điện tử :

• Khối lượng của điện tử :

Sử dụng biến đổi phasor :

Mật độ dòng điện

• Nq : mật độ điện tích; N là số điện tử trong một đơn vị thể tích

Áp dụng định luật Ampère


12. Sóng radio trong tầng điện ly

Thay mật độ dòng vào ta có

Đặt hằng số điện môi hiệu dụng

Viết lại phương trình trên

Hằng số pha :

• 0 : hằng số pha trong không gian tự do

Hệ số khúc xạ

• n < 1 : bước sóng trong tầng điện ly dài hơn so với trong không gian tự do


13. Tần số tới hạn

Critical Frequency

Định nghĩa:

Tần số tới hạn :

Thay các hằng số vào, ta có

Hệ số khúc xạ :

Nếu f < fc : hệ số truyền qua là số ảo, sóng này được gọi là sóng tắt dần


14. Tần số khả dụng cực đại

Maximum Usable Frequency

Định luật Snell

• Góc theo phương pháp tuyến

• i : sóng tới (incident wave)

• t : sóng truyền qua (transmitted wave)

Định luật Snell tổng quát

Xét trường hợp :

không thoả mãn định luật Snell

Định nghĩa góc tới hạn đối với sóng tới

với

• Góc tới lớn hơn góc tới hạn thì sẽ xảy ra phản xạ hoàn toàn


14. Tần số khả dụng cực đại

Nếu ta chọn hệ số khúc xạ bằng 1 cho tầng khí quyển thấp

Ta có góc tới hạn :

• n : hệ số khúc xạ của tầng điện ly

Biểu thức liên hệ :

hoặc

Với một góc tới xác định,

ta có tần số khả dụng cực đại

Áp dụng công thức tính :

Khoảng cách :

Documents

VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG - iop.vast.ac.vnnvthanh/cours/votuyendien/CH15 Antenna va... · Mật độ công suất trung bình theo phương z •Đơn vị đo : W/m2. 6