. 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
22 trang |
Chia sẻ: thuychi11 | Lượt xem: 585 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Vô tuyến điện đại cương, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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 :
Email : nvthanh@iop.vast.ac.vn
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 3
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 5
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 6
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 7
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)
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 8
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 10
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 11
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 :
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 12
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:
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 13
8. Nguyên lý đảo
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 :
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 14
8. Nguyên lý đảo
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 :
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 15
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 16
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 17
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 18
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 19
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 20
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 21
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
Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 22
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 :