Bài giảng Vô tuyến điện đại cương: Chương 15

VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG

TS. Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý

Hà Nội - 2016

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

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 : nvthanh@iop.vast.ac.vn

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

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

1. Sóng radio

 Radio Waves

trong không gian tự do

: 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 :

 Hệ phương trình Maxwell của các sóng phằng  Đạo hàm theo thời gian của một phaso được thay bởi

 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

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 :

• Đơn vị đo : W/m2

 Mật độ công suất trung bình theo phương z

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

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

3. Góc khối và hướng

 Directions and Solid Angles  Các tham số hướng

 Góc khối

 Zenith : đỉnh  Elevation : góc nâng  Azimuth : góc phương vị

  : 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

4. Antenna phát sóng

 Transmitting Antennas

• 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

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

 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

5. Antenna thu sóng

 Receiving Antennas  Đặc trưng:

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

 Antenna lưỡng cực

 Độ dài hiệu dùng và diện tích hiệu dụng  Điện áp tương đương Vo

 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

5. Antenna thu sóng

• 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

 Diện tích hiệu dụng của trạm thu

 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

6. Công thức Friis

 Friis Formula  Tính toán các mức tín hiệu trong truyền thông

 r : khoảng cách giữa trạm thu-phát

 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 :

 Mật độ công suất :

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

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 :

 Suy ra biểu thức cho định lý:

 Độ sáng chói (brightness) :  Biểu thức khác của năng lượng nhiệt

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

8. Nguyên lý đảo

 Reciprocity

 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

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

điện áp V : (mạch hở)

 Mạch thu sóng nhận được

 Công suất phát sóng :

 Công suất thu :

 Mặt khác ta lại có :

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

8. Nguyên lý đảo

suy ra:

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

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

 Định nghĩa của độ lợi :

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

 Định lý về antenna :

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

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 :

thay

 Đổi biến tích phân:

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

10. Antenna que

 Whip Antennas

 Xét antenna có thêm 2 que

 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 :

 Antenna giàn

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

Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016

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

12. Sóng radio trong tầng điện ly

 Radio Waves in the Ionosphere

• 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