ĐỒ ÁN ĐẠI HỌC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

Chương 1> Tổng quan về các hệ thống định vị toàn cầu 4 1.1>Giới thiệu chung 4 1.2 >Phân loại GPS 5 1.3>Hệ thống định vị toàn cầu GPS 6 1.3.1>Các thành phần của GPS 6 1.3.2>Nguyên Tắc Hoạt Động Của GPS 9 1.3.3>Tín hiệu của GPS 10 1.3.4>Ứng dụng của hệ thống GPS 11 1.4>Hệ thống định vị toàn cầu Galileo 12 1.4.1>Giới thiệu 12 1.4.2>Các thông số của hệ thống 13 Chương 2>Giới thiệu vệ ăng ten 14 2.1>Giới thiệu về anten 14 2.2>Các thông số quan trọng của anten 15 2.2.1>Đồ thị bức xạ 15 2.2.2> Hệ số định hướng 18 2.2.3> Hiệu suất anten 19 2.2.4>Hệ số tăng ích 21 2.2.5>Phân cực trong anten 23 2.2.6>Băng tần hoạt động của anten 24 2.2.7>Trở kháng vào của anten 25 Chương 3> Phương pháp tính toán và thiết kế 27 3.1>Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 27 3.1.1>Khái niệm 27 3.1.2>Nội dung 28 3.1.3>Ứng dụng 29 3.2>Phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS 29 3.2.1>Giới thiệu 29 3.2.3>Mô phỏng 30 Phần IV: Thiết kế ăng ten 36 4.1>Giới thiệu về ăng ten xoắn trụ 36 4.2>Phân tích yêu cầu về dải tần hoạt động và các đặc tính yêu cầu của ăng ten 36 4.2.1>Yêu cầu dải tần hoạt động 36 4.2.2>Các tiêu chuẩn lựa chọn ăng ten cho hệ thống thu GPS 37 4.3>Quá trình thiết kế: 38 4.3.1>Mô hình và kích thước ăng ten 38 4.3.2>Kết quả mô phỏng 41 Chương 1> Tổng quan về các hệ thống định vị toàn cầu 1.1>Giới thiệu chung GPS (Global Positioning System) hệ thống định vị toàn cầu là một hệ thống mạng lưới các vệ tinh liên tục gửi các tín hiệu,qua đó các máy thu GPS có thẻ xác định được vị trí của mình Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế hệ thống định vị sử dụng sóng vô tuyến với tên gọi NAVSTAR GPS được phòng lên từ năm 1978. Hệ thống được điều hành bởi lực lượng không quân Hoa Kỳ cung cấp thông tin định vị với độ chính xác cao. Mục tiêu ban đầu của hệ thống là cho phép lực lượng bộ binh, cơ giới, máy bay và tàu chiến xác định vị trí chính xác của họ ở những nơi không xác định trên toàn thế giới. Tuy nhiên, GPS có thể sử dụng cho rất nhiều ứng dụng, trong những năm 80, Mỹ đã ứng dụng GPS và mục đích khoa học và thương mại. GPS sử dụng nguyên lý phép đo ba cạnh tam giác, trong đó nhiều phép đo khoảng cách sẽ được thực hiện cho phép máy thu tính toán được một vị trí. Hình 1.1: Mô hình định vị vệ tinh Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh trong không gian để xác định vị chí của vật thể trên trái đất. GPS là một trùm 24 vệ tinh quỹ đạo quay xung quanh trái đất ở độ cao khoảng 20,000km, trong một ngày sẽ thực hiện 2 vòng quay quang trái đất. Vị trí hiện tại,thời gian và vận tốc có thể được xác định bởi các máy thu GPS xử lý tín hiệu được phát từ vệ tinh. Một máy thu GPS sẽ được sử dụng để xử lý các tín hiệu vô tuyến. 1.2 >Phân loại GPS Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 quả vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian. Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện. Được biết đến nhiều nhất là các hệ thống sau: LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động ở giải tần 90100 Khz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VORDME – VHF (Omnidirectional RangeDistance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng. Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS Hiện nay Liên Minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên GalileoTrung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tênBắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh. Ban đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên mặc dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác. Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Chỉ có

Chương 1> Tổng quan về các hệ thống định vị toàn cầu

1.1>Giới thiệu chung

GPS (Global Positioning System) hệ thống định vị toàn cầu là một hệ thống mạng lưới các vệ tinh liên tục gửi các tín hiệu,qua đó các máy thu GPS có thẻ xác định được vị trí của mình

Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế hệ thống định vị sử dụng sóng vô tuyến với têngọi NAVSTAR GPS được phòng lên từ năm 1978 Hệ thống được điều hành bởilực lượng không quân Hoa Kỳ cung cấp thông tin định vị với độ chính xác cao.Mục tiêu ban đầu của hệ thống là cho phép lực lượng bộ binh, cơ giới, máy bay vàtàu chiến xác định vị trí chính xác của họ ở những nơi không xác định trên toàn thếgiới Tuy nhiên, GPS có thể sử dụng cho rất nhiều ứng dụng, trong những năm 80,

Mỹ đã ứng dụng GPS và mục đích khoa học và thương mại GPS sử dụng nguyên

lý phép đo ba cạnh tam giác, trong đó nhiều phép đo khoảng cách sẽ được thựchiện cho phép máy thu tính toán được một vị trí

Hình 1.1: Mô hình định vị vệ tinh

Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh trong khônggian để xác định vị chí của vật thể trên trái đất GPS là một trùm 24 vệ tinh quỹđạo quay xung quanh trái đất ở độ cao khoảng 20,000km, trong một ngày sẽ thựchiện 2 vòng quay quang trái đất Vị trí hiện tại,thời gian và vận tốc có thể được xácđịnh bởi các máy thu GPS xử lý tín hiệu được phát từ vệ tinh Một máy thu GPS sẽđược sử dụng để xử lý các tín hiệu vô tuyến

1.2 >Phân loại GPS

Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới

24 quả vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian

Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện Được biết đến nhiều nhất là các hệ thống sau: LORAN –

(LOng RAnge Navigation) – hoạt động ở giải tần 90-100 Khz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và

biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional

Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng.

Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS Hiện nay Liên Minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang

tên GalileoTrung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang

tênBắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh.

Ban đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên mặc

dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liêntục và độ chính xác Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn chodẫn đường dân sự hàng không và hàng hải đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó Chỉ có

hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự.GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ

Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tínhiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ

1.3>Hệ thống định vị toàn cầu GPS

1.3.1>Các thành phần của GPS

Hệ thống GPS hiện tại bao gồm 3 thành phần chính.Những thành phần này

là phần không gian (SS), phần điều khiển (CS), phần người dùng (US)

Hình 1.2: Các thành phần của GPS

Thành phần không gian gồm có những vệ tinh GPS hay là các phương tiện

không gian (SV) theo như các nói trong GPS Chúng được cung cấp năng lượng từnhững tấm pin mặt trời, những tấm pin mặt trời này luôn được điều chỉnh hướng vềphía mặt trời và anten của vệ tinh hướng về phía trái đất Các vệ tinh này quay hếtmột vòng trái đất trên mặt phẳng quỹ đạo trong khoảng 12 tiếng (4 vệ tinh nằmtrong một mặt phẳng).Có 6 mặt phẳng quỹ đạo với góc nghiêng tương đối so vớiđường xích đạo trái đất là 55 độ Cấu trúc như vậy là để đảm bảo rằng đối tượngđược định vị ở bất kì đâu trên trái đất cũng có tầm nhìn thẳng trực tiếp đến ít nhất 4

vệ tinh ở bất kì thời điểm nào

Khi quỹ đạo của các vệ tinh thay đổi, quan hệ hinh học giữa chúng cũng thay đổi để đảm bảo cấu trúc ban đầu của quỹ đạo Vệ tinh phát ra tín hiệu vô tuyến được mã hóa cho máy thu GPS giải mã để xác định các thông số quan trọng của hệ thống

Hình 1.3: Mô hình hệ thống định vị vệ tinh GPS.

Thành phần điều khiển có nhiệm vụ giám sát khả năng hoạt động và tình

trạng của thành phần không gian Phần điều khiển bao gồm hệ thống các trạm điềuchỉnh đặt khắp nơi trên thế giới, 6 trám giám sát, 4 trạm anten và một trung tâmđiều khiển Trạm giám sát tính toán tín hiệu mà các vệ tinh gửi vệ trạm chủ Trạmgiám sat nhận các dữ liệu từ vệ tinh và gửi chúng về trạm chủ, tại đây thông tinquỹ đạo, đòng hồ của vệ tinh (thông tin thiên văn) sẽ được hiệu chỉnh gửi tới vệtinh thông qua trạm anten Nó cũng tránh cho vệ tinh không bị trôi dạt và quỹ đạođược giới hạn Nhưng dữ liệu này sẽ được vệ tinh quảng bá cho phần người sửdụng

Hình 1.4: Thành phần điều khiển

Thành phần người dùng bao gồm các anten và vi xử lý thu để thu và giải mã

các tín hiệu vệ tinh nhằm đưa ra các thông số vị trí, vận tốc và độ chính xác về thờigian Từ đó tính toán ra tọa độ và thời gian GPS có thể cung cấp dịch vụ khônggiới han cho người dùng Phần lớn các máy thu GPS hiện nay đều được thiết kếnhiều kênh song song, có từ 5 đến 12 mạch thu

1.3.2>Nguyên Tắc Hoạt Động Của GPS

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Các may thu

GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi

từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy

Hình 1.5: Hoạt động máy thu GPS với đồng thời 4 vệ tinh.

Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa

1.3.3>Tín hiệu của GPS

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải

L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân

sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa

là chúng sẽ xuyên qua mây,thủy tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà.L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó

là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A) Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS

Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã gỉa ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào

Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống

Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí

giao hàng GPS có nhiều ứng dụng mạnh mẽ trong quản lý xe ô tô, đặc biệt là các loại xe như: Xe taxi, xe tải, xe công trình, xe bus, xe khách, xe tự lái Với nhiều tính năng như:

 Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe…

 Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường ( vị trí xe được thể hiện nháp nháy trên bản đồ), xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy, biết được lộ trình hiện tại xe đang đi (real time)

 Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn hình

 Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn

 Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm

 Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng)

 Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn

 Chức năng chống trộm

b>Các hạn chế trong ứng dụng dân dụng

Chính phủ Hoa Kỳ kiểm soát vệc xuất khẩu một số máy thu dân dụng Tất

cả máy thu GPS có khả năng hoạt động ở độ cao trên 18 kilômét (11 mi) và

515 mét trên giây (1.690 ft/s) được phân loại vào nhóm vũ khí theo đó cần phải có phép sử dụng của Bộ ngoại giao Hoa Kỳ Những hạn chế này nhắm mục đích ngăn ngừa việc sử dụng các máy thu trong tên lửa đạn đạo, trừ việc sử dụng trong tên lửa hành trình do độ cao và tốc độ của các loại này tương tự như các máy bay

1.4>Hệ thống định vị toàn cầu Galileo

1.4.1>Giới thiệu

Hệ thống định vị Galileo là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) được xây dựng bởi Liên minh châu Âu Galileo khác với GPS của Hoa

Kỳ và GLONASS của Liên bang Nga ở chỗ nó là một hệ thống định vị được điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự Galileo theo kế hoạch sẽ chính thức hoạt động vào năm 2011-12, muộn 3-4 năm so với kế hoạch ban đầu

Hệ thống định vị Galileo được đặt theo tên của nhà thiên văn học

người Ý Galileo Galilei nhằm tưởng nhớ những đóng góp của ông

Hình 5:Hệ thống vệ tinh Galileo

1.4.2>Các thông số của hệ thống

a>Vệ tinh

Hình 6: Vệ tinh Galileo

 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng)

 Độ cao quỹ đạo: 23.222 km (quỹ đạo tầm trung)

 Phân bố trên 3 mặt chính, góc nghiêng 56 độ

 Tuổi thọ thiết kế của vệ tinh: > 12 năm

 Trọng lượng vệ tinh: 675 kg

 Kích thước vệ tinh: 2,7 m × 1,2 m × 1,1 m

 Năng lượng từ pin mặt trời: 1500 W (tại thời điểm tuổi thọ thiết kế)

b>Dịch vụ cung cấp

Bốn dịch vụ về định vị sẽ được cung cấp bởi Galileo:

 Dịch vụ mở (open service): miễn phí với mọi đối tượng Người dùng có thể

sử dụng 2 tần số L1 và E5A Độ chính xác đối với máy thu 2 tần số là 4 m cho phương ngang và 8 m cho chiều thẳng đứng Đối với máy thu 1 tần số (L1), độ chính xác là 15 m và 35 m, tương đương với GPS hiện thời

 Dịch vụ trả tiền (commercial service): dành cho các đối tượng cần có độ

chính xác < 1 m với một khoản phí nhất định Dịch vụ này sẽ được cung cấp thông qua tần số thứ 3 (E6)

 Dịch vụ cứu hộ (safety of life service): dành riêng cho cứu hộ, độ bảo mật

cao, chống gây nhiễu sóng

 Dịch vụ công cộng (public regulated service): dành riêng cho chính phủ và

quân đội của các nước Liên minh châu Âu Đặc biệt bảo mật, độ tin cậy cao

Chương 2>Giới thiệu vệ ăng ten

2.1>Giới thiệu về anten

Anten là một phần thiết yếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến nào Theo như địnhnghĩa chuẩn IEEE về thuật ngữ anten, một anten được xác định như “ một phươngtiện để bức xạ và nhận sóng vô tuyến” Nói cách khác, một anten truyền là mộtthiết bị mà nó nhận tín hiệu từ đường truyền, chuyển chúng thành sóng điện từ và

quảng bá chúng vào không gian tự do, xem Hình 2.1; Khi hoạt động ở chế độ nhận,

anten tập hợp sóng điện từ đến và chuyển đổi chúng trở lại tín hiệu

Hình 2.1: Anten như một thiết bị chuyển tiếp

Trong hệ thống vô tuyến tiên tiến, anten luôn được yêu cầu để tối ưu hoặc tậptrung năng lượng bức xạ theo một vài hướng và triệt tiêu ở các tần số khác Do

vậy, anten phải thỏa mãn tính định hướng đối với thiết bị chuyển tiếp Để đạt đượcyêu cầu này phải có rât nhiều dạng anten khác nhau: anten là một đoạn dây dẫn,anten khe, anten vi dải, anten phản xạ, anten thấu kính, anten mảng…

Anten dùng để thu tín hiệu GPS thường dùng là anten vi dải vì khả năng dễthiết kế và kích thước nhỏ gọn dễ tích hợp trong các thiết bị di động

Hình 1 Anten vi dải

2.2>Các thông số quan trọng của anten

Để hiểu và đánh giá được hiệu suất làm việc của một anten, việc đầu tiên tacần tìm hiểu về các thông số cơ bản của anten Một anten có rất nhiều thông sốđánh giá nhưng đánh giá hiệu suất và chất lượng của anten thì ta chỉ cần hiểu mộtvài thông số quan trọng như: dải tần hoạt động, đồ thị bức xạ, độ định hướng, độtăng ích, sự phân cực, trở kháng vào…

2.2.1>Đồ thị bức xạ

Đồ thị bức xạ là một hàm toán học hay một đồ thị mô tả đặc tính bức xạ củaanten theo tọa độ trong không gian Hầu hết các trường hợp, đồ thị bức xạ đượcxác định trong vùng trường xa và được thể hiện như một hàm của các tọa độ địnhhướng Đặc tính bức xạ bao gồm mật độ thông lượng công suất, cường độ bức xạ,

độ lớn của trường, độ định hướng, pha hay phân cực Để nhận biết được vết của

điện trường hoặc từ trường nhận được ở phạm vi không đổi ta quan sát đồ thị biên

độ trường Tức là, đồ thị trong không gian thể hiện sự thay đổi của mật độ nănglượng trong một bán kính không đổi được gọi là đồ thị biên độ năng lượng

Mặt phẳng chiếu đứng

Mặt phẳng phương vị

Búp sóng chính Búp sóng phụ

Hình 2.2: Trục tọa độ phân tích anten

Có ba kiểu bức xạ thông thường được sử dụng để miêu tả đặc tính bức xạ củaanten:

- Bức xạ đẳng hướng: anten không tổn hao lý thuyết có cường độ bức xạbằng nhau theo mọi hướng

a)Phương thẳng đứng b)Phương ngang

2.2.2>Hệ số định hướng

Độ định hướng là tỷ số của cường độ bức xạ theo một hướng xác định từanten tới cường độ bức xạ được tính trung bình trên toàn bộ các hướng Cường độbức xạ trung bình bằng tổng năng lượng được bức xạ ra chia cho 4π Nếu độ địnhhướng không được định rõ thì ta coi là độ định hướng lớn nhất của cường độ bức

xạ Để đơn giản hơn độ định hướng của một nguồn không đẳng hướng là bằng vớicường độ bức xạ của nguồn đó theo một hướng xác định trên toàn bộ nguồn đó.Công thức toán học được được viết như sau:

U – cường độ bức xạ (W/đơn vị góc khối)

U max – cường độ bức xạ lớn nhất (W/đơn vị góc khối)

U0 – cường độ bức xạ của nguồn

P rad – Công suất bức xạ tổng cộng (W )

Vì nguồn là độc lập nên hiển nhiên từ phương trình(2.1) và (2.2) cho thấy độđịnh hướng là như nhau bởi vì U, U max, và U0 là bằng nhau

Với các anten có các thành phần phân cực trực giao thì độ phân cực riêngphần của anten cũng theo một hướng xác định Một phần của cường độ bức xạ đápứng cho sự phân cực đó được chia ra bởi cường độ bức xạ tổng cộng trung bìnhtrên tất cả các hướng Như vậy độ định hướng là tổng của các độ định hướng đơnphần theo bất kỳ hai thành phần phân cực trực giao nào Trong hệ trục toạn độ cầu,

độ định hướng tổng cộng lớn nhất D0 cho hai thành phần trực giao của anten là θvà

U θ – cường độ bức xạ theo hướng có chứa thành phần trường θ

U ϕ－cường độ bức xạ theo hướng có chứa thành phần trường ϕ

(P rad)θ – công suất bức xạ theo tất cả các hướng có chứa thành phần trường θ(P rad)ϕ công suất bức xạ theo tất cả các hướng có chứa thành phần trườngϕ

-2.2.3>Hiệu suất anten

Tổng hiệu suất anten e0 là thông số dùng để đưa vào để tính toán suy hao ởđầu ra của cấu trúc anten Suy hao được đưa ra trong hình vẽ:

Hình 2.6: Suy hao phản xạ, dẫn xạ và điện môi

Hiệu suất tổng cộng được viết như sau:

Trong đó

e0 – tổng hiệu suất (không có chiều)

e r- hiệu suất phản xạ ¿ ( 1−|Γ|2)(không có chiều)

e r- hiệu suất dẫn xạ (không có chiều)

e d- hiệu suất điện môi (không có chiều)

Γ – hệ số phản xạ điện áp ở cửa đầu ra của anten

Γ =(Z¿−Z0)/(Z¿+Z0); trong đó Z¿ là trở kháng đầu vào của anten;

Z0là trở kháng đặc tính của đường truyền

Trong đó e cd=e c e dlà hiệu suất bức xạ của anten, dùng để thể hiện mối quan

hệ giữa gain và độ định hướng D

(tham chiếu

hệ số tăng ích)

Đầu ra (tham chiếu

độ định hướng)

Hình 2.7: Đầu cuối tham chiếu anten

Sau khi xét mối quan hệ giữa hệ số tăng ích với độ định hướng D, ta có thểđịnh nghĩa hệ số tăng ích riêng phần theo sự phân cực xác định nào đó theo mộthướng nhất định Hệ số tăng ích riêng phần là một phần của cường độ bức xạ đápứng theo một sự phân cực xác định chia cho tổng cường độ bức xạ thu được từnăng lượng thu được ở anten bức xạ đẳng hướng Như vậy theo một hướng xácđịnh thì hệ số tăng ích tổng cộng bằng tổng hệ số tăng ích riêng phần theo haihướng trực giao bất kỳ nào Trong trục tọa độ cầu thì ta có tổng hệ số tăng ích theohai thành phần trực giao là θ và ϕ Ta có:

U θ là cường độ bức xạ theo hướng có chứa thành phần trường E θ,

U ϕ là cường độ bức xạ theo hướng có chứa thành phần trường E ϕ,

P¿ là tổng công suất đầu vào

Thường thì hệ số tăng ích được biểu diễn theo khái niệm dB thay vì không cóthứ nguyên như trong công thức (2.16) Công thức tương ứng được cho bởi:

Hình 2.8: Hệ số tăng ích anten

2.2.5>Phân cực trong anten

Phân cực của anten là phân cực của sóng bức xạ bởi anten đó Nói cách khác,

mặt phẳng phân cực chính là mặt phẳng chứa vectơ cường độ điện trường E

Thông thường, phân cực trong anten có thể được chia làm ba loại: phân cựctuyến tính, phân cực tròn và phân cực elip

Trong thông tin liên lạc, đường truyền từ anten phát tới anten luôn bị hạnchế bởi các tòa nhà cao tầng, cây cối và đặc điểm địa thế Khi các anten phát hoặcthu di chuyển, tín hiệu nhận tại anten thu thay đổi theo thời gian bởi biên độ, phacủa tín hiệu nhận và tín hiệu phản xạ thay đổi liên tục Điều này làm một phần tínhiệu nhận bị lỗi dưới mức cho phép, kết quả giảm hiệu suất thông tin liên lạc Cónhiều phương pháp khắc phục nhược điểm này, một trong số đó là phương phápphân tập theo phân cực Phương pháp này chỉ ra rằng: nếu môi trường truyền dẫn

có đặc tính ảnh hưởng tín hiệu giữa các phân cực, khi đó chúng sẽ không thể triệttiêu cùng một lúc Với GPS là phân cực tròn phải ( RHCP) nên để thu tốt nhất thìanten thu cũng được thiết kế với phân cực tròn phải

Anten thông thường không thể nhận hết toàn bộ năng lượng sóng truyền đếnvới tín hiệu phân cực thay đổi theo thời gian Trong môi trường thực tế, sự tươngquan giữa phân cực nhận trực giao phụ thuộc vào cả phân cực truyền và sự tán xạ