Kỹ thuật anten truyền sóng

0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 ™Heä thoáng Hansen - Woodyard kd N πβ ⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠ Ñieàu kieän ñeå möùc böùc xaï phuï nhoû hôn möùc böùc xaï chính: β π< -2 .5 -2 -1 .5 -1 -0 .5 0 0 .5 0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 0.2 0.4 0.6 0.8 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 kd ( )kd N πβ = − + 56, 13 ( / ) N d kd N λ β π = = = − + Ñoái vôùi heä thoáng Hansen – Woodyard: - Ñoä roäng buùp soùng chính giaûm => taêng ñoä ñònh höôùng - Tuy nhieân bieân ñoä buùp soùng chính cuõng giaûm => bieân ñoä buùp soùng phuï cuõng khaù lôùn khi so saùnh vôùi buùp soùng chính. 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 0 60 90 120 150 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 0 60 90 120 150 ™Ñoä roäng giöõa caùc ñieåm null ñaàu tieân, ñoä roäng nöûa coâng suaát vaø ñoä ñònh höôùng. BWFN HPBW Ta ñaõ bieát cöïc ñaïi xuaát hieän taïi: 2nψ π= ± Vaø caùc buùp soùng phuï coù bieân ñoä lôùn laø ñieàu khoâng mong muoán Caùc ñieåm null ñaàu tieân xuaát hieän taïi ñieåm: 2 N πψ ±= 2coskd N πψ θ β ±= + = 1 12cos cos kdN kd Nd kd π β λ βθ − −± ±⎛ ⎞ ⎛ ⎞⇒ = − = −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Giaû söû ta choïn cöïc ñaïi taïi: öùng vôùi: 0ψ = ( )1max cos / kdθ θ β−= = − 1 maxcos null left Nd kd λ βθ θ− −⎛ ⎞⇒ = − −⎜ ⎟⎝ ⎠ 1 max; cos null right Nd kd λ βθ θ − ⎛ ⎞= − −⎜ ⎟⎝ ⎠ 1 1cos cosnull nullleft rightBWFN Nd kd Nd kd λ β λ βθ θ − −−⎛ ⎞ ⎛ ⎞⇒ = − = − − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ÔÛ ñaây, giaû söû caùc anten phaàn töû laø ñaúng höôùng Khi : , 0Nd λ β ≈ 1cos 2Nd kd Nd kd λ β π λ β− ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⇒ − ≈ − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 2 2 2 BWFN Nd kd Nd kd Nd π λ β π λ β λ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⇒ ≈ − + − + + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ : N lôùn, Broadside (gaàn broadside) Ñoái vôùi heä thoáng Endfire: null nullleft rightθ θ= 2cos ,nullleftkd kdN πψ θ β β−= + = = − 1 2cos 1nullleft kdN πθ − ⎛ ⎞⇒ = −⎜ ⎟⎝ ⎠ 2 nullleftBWFN θ⇒ ≈ Ñoä roäng nöûa coäng suaát cuûa heä thoáng Broadside (gaàn broadside): 1 1,3912 cos , / 1 2 HPBW d Nd π λ π λπ −⎡ ⎤⎛ ⎞≈ − ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦  Ñoä roäng nöûa coâng suaát cuûa heä thoáng Endfire: 1 1,3912cos 1 , / 1HPBW d Nd λ π λπ − ⎛ ⎞≈ −⎜ ⎟⎝ ⎠  Heä soá ñònh höôùng cuûa heä thoáng Broadside (gaàn broadside): max 2 , , 1 LD L Nd Nλ≈ ≈  Heä soá ñònh höôùng cuûa heä thoáng Endfire: max 4 , , 1 LD L Nd Nλ≈ ≈  Heä soá ñònh höôùng cuûa heä thoáng Hansen - Woodyard: max 1,805. 4 , , 1 LD L Nd Nλ ⎛ ⎞≈ ≈⎜ ⎟⎝ ⎠  3. Hệ thống bức xạ phân bố trên một mặt phẳng ( 1)( sin cos ) 1 x x M j m kd m AF e θ φ β− + = = ∑ ( 1)( sin cos ) 1 x x M j m kd xm m S e θ φ β− + = = ∑ xm ynAF S S= ( 1)( sin sin ) 1 y y N j n kd yn n S e θ φ β− + = = ∑ ( 1)( sin sin )( 1)( sin cos ) 1 1 y yx x M N j n kdj m kd m n AF e e θ φ βθ φ β − +− + = = = ∑ ∑ 3 / 2 0 x y x y M N d d λ β β = = = = = = 3 / 2 / 3 0 x y x y M N d d λ β π β = = = = = = 3 / 2 0 / 3 x y x y M N d d λ β β π = = = = = = 3 / 2 / 3 / 3 x y x y M N d d λ β π β π = = = = = = 3 / 2 / 3 x y x y M N d d λ β π β π = = = = = = 2 / 2 0 x y x y M N d d λ β β = = = = = = CHÖÔNG 5 MỘT SỐ LOAÏI ANTEN 1. Dipole daûi roäng 2. Anten Yagi 3. Anten Helic 5. Anten parabol 6. Anten vi dải 1. Dipole daûi roäng ™ Baêng thoâng cuûa anten – Pattern bandwidth – Impedance bandwidth ™Dipole daûi roäng ¾Dipole coù ñöôøng kính lôùn ¾Dipole daïng noùn keùp ¾Dipole beû voøng Dipole daûi roäng ¾Dipole coù ñöôøng kính lôùn 2 l λ< 2 l λ= 2 l λ> ¾Dipole daïng noùn keùp Trôû khaùng vaøo cuûa dipole noùn keùp coù chieàu daøi höõu haïn Moät soá daïng dipole noùn keùp caûi bieân ¾Dipole beû voøng Trôû khaùng vaøo cuûa dipole beû voøng Trường hợp: 2 l λ= tZ →∞ 0tI⇒ = Mode ñöôøng truyeàn soùng: Mode anten: / 2 a dipole VI Z = I toång: / 20 2 2. a in t dipole I VI I Z = + = + 4.in dipole in VZ Z I ⇒ = = Trường hợp tổng quát: Dipole ñöôïc noái vôùi nguoàn coù trôû khaùng 75SZ = Ω Dipole beû voøng ñöôïc noái vôùi nguoàn coù trôû khaùng 300SZ = Ω Moät soá daïng Monopole 2. Anten Yagi Thoâng thöôøng phaàn töû chuû ñoäng coäâng höôûng töông öùng vôùi chieàu daøi Coù daïng dipole thöôøng hoaëc dipole beû voøng. 0,45 0,49λ÷ Trong khi ñoù caùc phaàn töû höôùng xaïcoù chieàu daøi khoaûng vaø chuùng khoâng nhaát thieát phaûi coù chieàu daøi baèng nhau. 0,4 0,45λ÷ Khoaûng caùch giöõa caùc phaàn töû höôùng xaï khoaûng vaø chuùng cuõng khoâng nhaát thieát phaûi caùch ñeàu nhau. 0,3 0,4λ÷ Chieàu daøi phaàn töû phaûn xaï lôùn hôn phaàn töû chuû ñoäng vaø noù caùch phaàn töû chuû ñoäng khoaûng 0,25λ Xeùt moät anten Yagi: Kết quả moâ phỏng moät anten Yagi: Anten Yagi vôùi caùc chaán töû voøng 3. Anten Helic 4. Anten Parabol Minh họa một số mặt parabol Mặt phản xạ Hệ số ñònh höôùng : Vôùi G laø haøm ñònh höôùng cuûa boä kích thích theo goùc 'θ Anten parabol với mặt phản xạ phụ 5. Anten Vi dải Hình dạng anten vi dải Kích thích anten vi dải Phân tích anten vi dải: Mô hình đường truyền sóng Mô hình hộp cộng hưởng Mô hình đường truyền sóng Mô hình hộp cộng hưởng Anten vi dải với phân cực tròn Ống dẫn sóng (Waveguides) • Giới thiệu • Sóng TEM, TE và TM • Ống dẫn sóng hình chữ nhật – Tần số cắt (Cutoff Frequency) – Sự truyền sóng trong ống dẫn sóng (Wave Propagation) – Vận tốc truyền sóng (Wave Velocity) – Trở kháng sóng – .. Waveguide components Figures from: www.microwaves101.com/encyclopedia/waveguide.cfm Rectangular waveguide Waveguide to coax adapter E-teeWaveguide bends More waveguides Một số đặc điểm • Tổn hao thấp –Ở tần số cao – Công suất lớn • Không thể hoạt động ở tần số thấp hơn một tần số xác định. – Có thể ứng dụng như một bộ lọc thông cao • Có dạng tròn (circular) hoặc chữ nhật (rectangular) Waveguides • Sóng lan truyền trong các đường dây truyền sóng là sóng TEM hoặc gần TEM. • Trong ống dẫn sóng, sóng lan truyền ở mode TE hoặc TM. • Ứng với mode sóng, tồn tại Tần số giới hạn Rectangular waveguide Circular waveguide Optical FiberDielectric Waveguide Ống dẫn sóng hình chữ nhật • Xét ống dẫn sóng hình chữ nhật có kích thước trong a x b, • Trong Ống dẫn sóng, sóng sẽ ở mode TE hoặcTM. – In TE modes, the electric field is transverse to the direction of propagation. – In TM modes, the magnetic field that is transverse and an electric field component is in the propagation direction. • Mode truyền hình thành trong ống dẫn sóng quy định cho cấu hình trường trong ống dẫn sóng, và được ký hiệu qua 2 chỉ số: TEmn và TMmn. – m chỉ số lượng nửa bước sóng dọc theo trục x – n chỉ số lượng nửa bước sóng dọc theo trục y • Một mode riêng biệt chỉ được hỗ trợ khi tần số lớn hơn tần số cắt của nó. Tần số cắt được tính bởi: 1 1 1 1 o r o r o o r r r r cu με μ μ ε ε μ ε μ ε μ ε= = = = 2 2 2 21 2 2mn r r c m n c m n f a b a bμε μ ε= + + ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞=⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 8, 3 10 m/sc = × Table 7.1: Some Standard Rectangular Waveguide Waveguide Designation a (in) b (in) t (in) fc10 (GHz) freq range (GHz) WR975 9.750 4.875 .125 .605 .75 – 1.12 WR650 6.500 3.250 .080 .908 1.12 – 1.70 WR430 4.300 2.150 .080 1.375 1.70 – 2.60 WR284 2.84 1.34 .080 2.08 2.60 – 3.95 WR187 1.872 .872 .064 3.16 3.95 – 5.85 WR137 1.372 .622 .064 4.29 5.85 – 8.20 WR90 .900 .450 .050 6.56 8.2 – 12.4 WR62 .622 .311 .040 9.49 12.4 - 18 Location of modes: 2b=a Tần số cắt: 2 2 2mn r r c c m n f a bμ ε= + ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 2 2 2mnc c m n f a b = +⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 8where 3 10 m/sc = × r r For air 1 and 1 μ ε = = Phaân boá tröôøng trong oáng daãn soùng, mode TE10 • Mode: TE10 and TE20 – In both cases, E only varies in the x direction; since n = 0, it is constant in the y direction. – For TE10, the electric field has a half sine wave pattern, while for TE20 a full sine wave pattern is observed. Caùc mode soùng khaùc: Example Let us calculate the cutoff frequency for the first four modes of WR284 waveguide. The guide dimensions are a = 2840 mils and b = 1340 mils. Converting to metric units we have a = 7.214 cm and b = 3.404 cm. 2 2 2mnc c m n f a b = +⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 8where 3 10 m/sc = × ( ) 8 10 3 10 100 2.08 GHz 2 2 7.214 1c mxc cmsf a cm m = = = ( ) 8 01 3 10 100 4.41 GHz 2 2 3.404 1c mxc cmsf b cm m = = = 20 4.16 GHzc c f a = = 8 2 2 11 3 10 1 1 100 4.87 GHz 2 7.214 3.404 1c mx cmsf cm cm m = + =⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ TE10: TE01: TE20: TE11: TE10 TE01TE20 TE11 2.08 GHz 4.16 GHz 4.41 GHz 4.87 GHz TM11 Rectangular Waveguide Example 8For air 3 10 m/sc = × Sự lan truyền sóng trong ống dẫn sóng Sự lan truyền sóng trong ống dẫn sóng có thể được xem là sự lan truyền của một cặp sóng TEM. Vận tốc truyền sóng là uu, chỉ số u chỉ ra rằng điều kiện truyền không bị giới hạn bởi thành ống. Trong không khí, uu = c. 2 sin m a λθ = 2 sin u ua m f λ θ= = λc, ứng với: θ = 90° 2 u c c ua m f λ = = 2 2 2mnc c m n f a b ⇒ = +⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ sin c c f f λθ λ= = ( )21 up c u u f f = − ( )22 2cos cos 1 sin 1 cf fθ θ θ= = − = − cos u p u u θ= Vận tốc pha: cosG uu u θ= ( )21 cG u fu u f= − Vận tốc nhóm Vận tốc sóng TEM 1 1 1 1 u o r o r o o r r r r cu με μ μ ε ε μ ε μ ε μ ε= = = = 8where 3 10 m/sc = × Wave velocity Phase velocity pu Group velocity Beach Ocean Phase velocitypu uu Wave velocity uu Gu Group velocity Point of contact Trở kháng sóng: Tỉ số giữa thành phần điện trường ngang và thành phần từ trường ngang. 2 , 1 TE u mn c Z f f η= − ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ TE mode TM mode 2 .1TM cmn u fZ f η ⎛ ⎞= − ⎜ ⎟⎝ ⎠ ( )21 cuG f fβ β= − Hệ số pha: ( )21 ucG f f λλ = − Chiều dài bước sóng: Wave velocity Phase velocity pu Group velocity Example Rectangular Waveguide Example Rectangular Waveguide Let’s determine the TE mode impedance looking into a 20 cm long section of shorted WR90 waveguide operating at 10 GHz. From the Waveguide Table 7.1, a = 0.9 inch (or) 2.286 cm and b = 0.450 inch (or) 1.143 cm. 2 2 2mnc c m n f a b = +⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ TE10 6.56 GHz Mode Cutoff Frequency TE01 13.12 GHz TE11 14.67 GHz TE20 13.13 GHz TE02 26.25 GHz At 10 GHz, only the TE10 mode is supported! TE10 6.56 GHz Mode Cutoff Frequency TE01 13.12 GHz TE11 14.67 GHz TE20 13.13 GHz TE02 26.25 GHz TE10 TE20TE01 TE11 TM11 6.56 GHz 13.12 GHz TE02 26.25 GHz14.67 GHz Rearrange 13.13 GHz 10 2 120 500 . 6.56GHz 1- 10GHz TEZ π Ω= = Ω ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ ( )10 tanIN TEZ jZ β= l The impedance looking into a short circuit is given by The TE10 mode impedance ( ) 2 2 9 2 8 2 1 1 2 10 10 6.56 1 158 103 10 c c u f ff f c f x Hz GHz rad m GHz mx s πβ β π = − = − = − = ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ The TE10 mode propagation constant is given by ( ) ( )500 tan 31.6 100INZ j j= Ω = Ω ( )500 tan 158 0.2IN radZ j mm= Ω ⎛ ⎞×⎜ ⎟⎝ ⎠ Soùng ñöùng: Soùng ñöùng: Soùng di chuyeån Ñaàu cuoái oáng daãn soùng: Keát thuùc oáng daãn soùng baèng moät taám ñieän trôû Kích thích oáng daãn soùng: Doøng ñieän treân thaønh oáng daãn Soùng Khe phaùt xaï vaø khe khoâng phaùt xaï Caùc boä ñeäm ñieän khaùng: Truyền sóng trong cáp quang Lý thuyết về quang Cáp quang Truyền sóng trong cáp quang Các đặc tính của sự truyền sóng trong cáp quang Lý thuyết về quang • Ánh sáng có bản chất sóng, do đó lý thuyết về sóng điện từ có thể được sử dụng giải quyết các vấn đề liên quan đến sóng ánh sáng chẳng hạn sự lan tuyền của sóng ánh sáng. Để giải quyết các vấn đề này hệ phương trình Maxwell nắm vai trò chủ đạo. Và nó đủ để giải quyết các hiện tượng quang học cổ điển. • Các hiện tượng liên quan giữa ánh sáng và vật chất (bản chất hạt), chẳng hạn như sự phát xạ và hấp thụ, lý thuyết lượng tử nắm vai trò chủ đạo. Quang lượng tử có thể giải thích tất cả các hiện tượng quang học. • Trong lý thuyết sóng ánh sáng, sóng ánh sáng có thành phần vector điện trường và từ trường. • Tuy nhiên một số hiện tượng cũng ánh sáng có thể được mô tả bằng sóng vô hướng – được gọi là sóng ánh sáng, chẳng hạn như sự nhiễu xạ. • Nếu xét sóng ánh sáng xung quanh những vật thể lớn hơn bước sóng ánh sáng có thể sử dụng lý thuyết tia quang để khảo sát. Quantum Optics Electromagnetic Optics Wave Optics Ray Optics Sóng EM trong các môi trường • Hệ số khúc xạ (Refractive index) : Với môi trường không từ tính : : : mediumin wave)(EMlight ofvelocity in vacuum wave)(EMlight ofvelocity 00 r r rrv cn e m em em me ==== Relative magnetic permeability Relative electric permittivity )1( =rm rn e= kWave fronts r E k Wave fronts (constant phase surfaces) z ll l Wave fronts P O P Sóng cầuSóng phẳng Sóng phân kỳ (a) (b) (c) Các Ví dụ về sóng EM S.O.Kasap, optoelectronics and Photonics Principles and Practices, prentice hall, 2001 rays Các quy luật phản xạ và khúc xạ Định luật phản xạ: angle of incidence = angle of reflection Định luật khúc xạ Snell: 2211 sinsin ff nn = Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000 Phản xạ toàn phần, góc tới hạn (Total internal reflection, Critical angle) 1q n2 n1 > n2 tia Tới Tia khúc xạ (refracted) tia Phản xạ k t TIR k i k r 2f 1f cf o902 =f cff >1Góc giới hạn 1 2sin n n c =fGóc tới hạn: Sự dịch pha do TIR • The totally reflected wave experiences a phase shift however which is given by: • Where (p,N) refer to the electric field components parallel or normal to the plane of incidence respectively. 2 1 1 1 22 1 1 22 sin 1cos 2 tan; sin 1cos 2 tan n nn nn n n pN = - = - = q qd q qd [2-20] Ống dẫn sóng quang dựa trên TIR: (Dielectric Slab Waveguide) f Sự lan truyền trong ống dẫn quang hệ số khúc xạ bước. f n1 n2<n1 21 sin ; c n n f = 0max 1sin sin , 2c c c n n pq q q f= = - Góc tới tối đa: Suy ra từ định luật Snell max0q 1 21 1 2 2 2 1max0 2sinNA n nn nnnn - =D D»-== q Khẩu độ số (Numerical aperture): Góc tối thiểu để có TIR: 0max 1sin cos cn nq f= 2 0max 1sin 1 sin cn nq f= - 2 2 0max 1 2sinn n nq = - Các loại cáp quang Các mode sóng trong ống dẫn sóng 0sin 1 2 N d ly æ ö= <ç ÷ è ø Tần số cắt chuẩn hóa: 2 2 1 2 0 0 d dV n n NAp p l l = - » Số mode : 21 2 N V» Suy hao trong sợi quang • Suy hao do tán xạ • Suy hao do hấp thụ • Suy hao do các mode rò rỉ • Suy hao do ghép mode • Suy hao do cáp bị uốn cong 0(min) sin 90t zz z= = 1 2 (max) sint c nzz z nf = = Tán sắc liên mode: sint zz f = 1 2 (max) (min) 1 1t t nz z z z z n æ ö Dæ öD = - = - =ç ÷ ç ÷- Dè øè ø Tán sắc (despersion) 1 1 n zzt v c D D D = = - D Tán sắc liên mode trên sợi quang hệ số khúc xạ thay đổi dần: 2 1 8 n zt c D D = Tán sắc vật liệu: do chỉ số khúc xạ không giống nhau với các bước sóng khác nhau. Tán sắc ống dẫn sóng: pha của các sóng tới phân biệt Tán sắc toàn phần và vận tốc truyền dữ liệu cực đại 2 2 2( ) ( ) ( ) ( )t tot t imd t md t wgdD = D + D + D Imd: intermodal despersion, md: metaterial dispersion, wgd: waveguide dispersion ( )r wt t t tot= + D 1 r B t = TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN 1. Trực tiếp 2. Phản xạ 3. Tầng đối lưu 4. Qua tầng điện ly 5. Chuyển tiếp qua vệ tinh 6. Sóng mặt (sóng đất) Tầng đối lưu (troposphere): vùng thấp của khí quyền (thấp hơn 10km) Tầng điện ly (ionosphere): từ 50 km đến 1000km Ảnh hưởng đến sóng: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, suy hao, phân cực Truyền sóng vô tuyến 1. Sóng trực tiếp (line of sight): đa số radar, tuyến (SHF) từ mặt đất đến vệ tinh 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 Tổng quan về các hiện tượng ảnh hưởng đến truyền sóng vô tuyến và ứng dụng 4. Bước nhảy ở tầng điện ly : MF HF broadcast , communication 5. Dẫn sóng nhờ tầng điện ly : VLF LF communication Mode bước nhảy hay mode dẫn sóng nhờ tầng điện ly phân biệt bởi mô hình toán hơn là quá trình vật lý. 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 Phản xạ mặt phẳng đất Trường tổng tại anten thu: F=0: đường trực tiếp và phản xạ triệt tiêu nhau F=2: hai thành phần trực tiếp và phản xạ tăng cường trường ở phía thu Nếu: Nếu: Công suất thu được bên phía anten thu tỉ lệ: |F| min tại: |F| max tại: Độ lợi theo chiều cao: với khoảng cách d cố định example Sự phản xạ của sóng trên mặt phẳng đất