BÀI GIẢNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG potx

- Dòng điện dẫn là dòng chuyển động có hướng của các hạt mang điện.- Định luật bảo toàn điện tích : d divJ dt   Đối với dòng điện không đổi : - Từ trường tĩnh là trường được tạo ra xu

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG

DÙNG CHO SV NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HẢI PHÒNG – 2010

( A , B và n làm thành tam diện thuận)

- Đạo hàm khối (hay đạo hàm không gian) của một trường (có thể là trường vô hướng P,

hoặc trường vecto B ) là một đại lượng (vô hướng hoặc vecto) :

tức là tích phân đại lượng B theo một

mặt kín S được giá trị khác 0, ta gọi trong mặt kín S có nguồn, còn khác đi ta gọi trong mặt kín không có gì (nguồn)

tức là tích phân đại lượng B theo một

đường cong kín L được giá trị khác 0, ta gọi B là trường xoáy (đường sức khép kín), còn khác

đi ta gọi là trường không xoáy

0.2 Điện trường tĩnh

- Trường tĩnh điện là trường được tạo ra xung quanh các điện tích cố định ( E và D

không thay đổi theo thời gian)

- Trường tĩnh điện là một trường thế

- Là một trường mang năng lượng, có tương tác lên các điện tích Các điện tích chuyển động ngang qua trường sẽ được gia tốc

- Dòng điện dẫn là dòng chuyển động có hướng của các hạt mang điện.

- Định luật bảo toàn điện tích :

d divJ

dt



 Đối với dòng điện không đổi :

- Từ trường tĩnh là trường được tạo ra xung quanh các dòng điện không đổi ( B và H

không thay đổi theo thời gian)

- Định luật Ampe : Lưu số của vectơ cường độ từ trường H theo một đường cong kín L

bằng tổng đại số của các dòng điện nằm trong vòng kín đó :

Thành phần pháp tuyến của vectơ cảm ứng từ liên tục tại bờ :

Chương 1 TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

1.1 HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXELL

Hệ phương trình Maxell dạng vi phân (cột 1 bảng 4.1 tr 46 giáo trình)

0

E rotH J

t H rotE

t div E div H

Hệ phương trình Maxell dạng tích phân (cột 3 bảng 4.1 tr 46 GT)

0

E Vectơ cường độ điện trường [V/m]

D Vectơ điện cảm ( D   E ) [A/m2]

bày rõ ràng và đơn giản ở mục 4.1 tr 40 GT.

“Điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường xoáy (biến thiên trong

không gian với đường sức khép kín)”

- phương trình Maxell thứ hai có thể viết

“Từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra điện trường xoáy”

- phương trình Maxell thứ ba thể hiện điện trường có nguồn, nguồn của điện trường

H

t div E

trong đó Jm và m là đại lượng ảo

Chú ý 2 : Điện trường tĩnh và từ trường tĩnh là các trường hợp riêng của trường điện từ biến

thiên, khi đó các thành phần đạo hàm theo thời gian bằng 0, Hệ phương trình Maxell trong các trường hợp này sẽ có các biến dạng như các kết quả khảo sát của các chương 1, 2, 3

Chú ý 3 : Một số công thức của giải tích vectơ cần ôn lại môn Toán cao cấp 2, và được ghi lại

ở phụ lục 1 tr.270 GT

  được gọi là vectơ Poynting.

- Vectơ  là vectơ mật độ thông lượng năng lượng chảy qua mặt S trong đơn vị thời gian

Theo định nghĩa, thì năng lượng của trường điện từ ở mỗi điểm sẽ lan truyền theo phương của vectơ , tức là phương pháp tuyến với mặt phẳng tạo bởi hai vectơ E và H

1.2.3 Các ví dụ minh họa định lý Poynting

- Trong môi trường điện môi lý tưởng   0, tức là J  0 và P  0

 năng lượng thâm nhập vào V, bao bởi mặt S

- Khảo sát sự truyền năng lượng qua đoạn dây dẫn (tr.52)

Câu hỏi ôn tập chương 1 :

1 Hệ phương trình Maxell và ý nghĩa vật lý

2 Trình bày nguyên lý đổi lẫn của các phương trình Maxell

3 Phát biểu định lý Poynting và nêu ý nghĩa vật lý

4 Chứng minh định lý Poynting

Chương 2 SÓNG ĐIỆN TỪ PHẲNG

- môi trường điện môi lý tưởng   0

- không có nguồn ngoài J  0,   0

- chọn hệ tọa độ iz mặt sóng (x,y), Ez  Hz  0

do đó E  E ix x  E iy y và H  H ix x H iy y

có thể tách thành 2 hệ thống A(gồm Ex,Hy) và B(gồm Ey,Hx)

2.2.2 Phương trình sóng (5.4 tr 59)

- xuất phát từ hệ phương trình maxell với giả thiết 2.2.1

- triển khai hai vế của M1 và M2, chú ý sóng truyền theo trục z nên

 

2.2.3 Nghiệm của phương trình sóng

Nghiệm của 5.5 là hàm số tùy ý theo hai biến dạng F t (   ) và F t (   ) vì cả hai hàm này đều có đạo hàm bậc 2 theo t và  bằng nhau

Nghiệm tổng quát có dạng :

F t   biểu diễn sóng truyền theo hướng z âm

2.2.4 Quan hệ giữa các thành phần trường

x y

E

Z H

Hình 5.3b biểu diễn sự phụ thuộc của E và H theo z ở một thời điểm cố định

2.3 SÓNG PHẲNG TRONG MÔI TRƯỜNG BÁN DẪN

2.3.1 Phân loại môi trường truyền sóng

Thực tế không có môi trường điện môi lý tưởng, và do đó chỉ có môi trường truyền sóng bán dẫn

Tính bán dẫn phụ thuộc vào quan hệ tương đối giữa dòng điện dẫn Jdẫn (  E ) và dòng điện dịch Jdịch ( E )

E E

 ) tức là phụ thuộc vào tần số của sóng trong

trường hợp sóng điều hòa

2.3.2 Khái niệm hằng số điện môi phức

Từ phương trình M1 đối với sóng điều hòa :

trong đó :  được gọi là hệ số suy giảm sóng,

 được gọi là hệ số pha

- hệ số pha và hệ số suy giảm có giá trị bằng nhau

- suy giảm sóng phụ thuộc vào tần số, do đó ở tần số càng lớn suy giảm sóng càng cao

- Trở kháng sóng có giá trị nhỏ ( lớn), có nghĩa là trong vật dẫn thì thành phần chủ yếu của trường là từ trường (H lớn)

- Thành phần H và E sai pha bằng  / 4

Câu hỏi ôn tập chương 2 :

1 Phương trình sóng và nghiệm của phương trình sóng trong môi trường điện môi lý tưởng

2 Trình bày về khái niệm sóng phẳng điều hoà

3 Sóng phẳng trong môi trường bán dẫn và khái niệm hằng số điện môi phức

Chương 3 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG

3.1 PHÂN LOẠI SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN

Băng sóng Bước sóng (m) Khoảng tần số f

(bước sóng  ≤ 10m), còn một số nước khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz (bước sóng  ≤ 1m)

Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt được trong việc chinh phục các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm về phạm vi dải tần của "viba" cũng có thể còn thay đổi

Hình 0-1 minh hoạ phổ tần số của sóng điện từ và phạm vi dải tần của kỹ thuật viba được coi

là đối tượng nghiên cứu trong môn học này

Phổ tần số của sóng điện từ

Trong ứng dụng thực tế, dải tần của vi ba còn được chia thành các băng tần nhỏ hơn:

- Cực cao tần UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ 3 GHz

- Siêu cao tần SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz

- Thật cao tần EHF (Extremely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz

Ngày nay, thông tin vô tuyến được sử dụng chủ yếu là ở dải tần vi ba,

từ 400 ÷ 500 MHz (bộ đàm vô tuyến),

từ 900 ÷ 1800 MHz (thông tin di động cá nhân),

thông tin vệ tinh dùng cho cả lĩnh vực viễn thông và phát thanh truyền hình dùng dải tần từ 1 GHz ÷ 30 GHz, được chia thành các

băng L (1÷2GHz) cho vệ tinh di động tầm thấp,

băng Ka (20÷30GHz) dùng cho vệ tinh cố định

CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN

a Phương thức truyền thẳng trong không gian tự do (sóng tự do)

- là phương thức truyền trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng của không gian vũ trụ

102 10 1

103

ánh sáng nhìn thấy

sóng mét (VHF)

sóng ngắ n

- ví dụ : sóng truyền giữa vệ tinh với con tàu vũ trụ, trái đất với vệ tinh, vệ tinh với vệ tinh

b Phương thức truyền sóng đất:

- là cách truyền sóng gần mặt đất theo kiểu truyền thẳng

c Phương thức truyền sóng đối lưu

- là cách truyền sóng nhờ sự tán xạ ở tầng đối lưu hay kiểu dẫn sóng trong ống dẫn sóng

d Phương thức sóng trời :

- là cách truyền sóng nhờ sự khúc xạ và phản xạ hay tán xạ sóng từ tầng điện li

- tầng điện li : cách mặt đất 80 đến 400 km, có một khoảng không gian chứa các điện tử tự do

và các ion gọi là tầng điện li Tầng điện li có tính chất khúc xạ liên tục làm tia sóng bị uốn cong và đến độ cao nào đó thì quay về mặt đất Tầng điện li còn có những vùng không đồng nhất gây tán xạ tia sóng phát lên trong đó có một số tia quay về mặt đất

- truyền bằng phương thức sóng trời thường dùng cho sóng ngắn và một phần băng sóng trung (gần sóng ngắn)

3.2 CÔNG THỨC TRUYỀN SÓNG LÝ TƯỞNG

 

I A : dòng hiệu dụng chạy trong lưỡng cực điện

  m

 : bước sóng của sóng phát đi

Nếu chiều dài hiệu dụng làhhd

3.3 NGUYÊN LÝ HUY GHEN VÀ MIỀN FRESNEL

- Nguyên lý Huy ghen :

“Mỗi điểm của mặt sóng gây bởi một nguồn bức xạ sơ cấp có thể được coi như nguồn của một

sóng cầu thứ cấp mới” Vì vậy, có thể tính trường ở một điểm bất kỳ trong không gian khi đã

biết trường ở trên một bề mặt nào đó !

chú ý : ý nghĩa công thức (9.32) và các công thức (9.34) và (9.35)

- Miền Fresnel : để giải thích tác dụng miền Fresnel thứ nhất dùng hình (9.19) và

(9.20), nhưng khi xác định bán kính miền Fresnel dùng mặt phẳng So theo hình (9.21) Kết quả được hình (9.22)

3.4 PHÂN CỰC SÓNG (mục 9.4 trang 146 SGK)

Xét sóng phẳng lan truyền trong môi trường điện môi lý tưởng là sóng điện từ ngang

TEM Giả sử hướng lan truyền là hướng, ở mỗi điểm khảo sát M, điện trường E có thể phân

tích thành hai thành phần nằm trong mặt phẳng yOz, gồm thành phần thẳng đứng E z và thành phần nằm ngang E y, có độ lớn là :

Câu hỏi ôn tập chương 3 :

1 Phân loại băng sóng vô tuyến điện

2 Công thức truyền sóng lý tưởng

3 Khái niệm về phân cực sóng

4 Trình bày nguyên lý Huyghen và khái niệm miền Fresnel

Chương 4 TRUYỀN SÓNG ĐẤT

4.1 Khái quát chung4.2 Truyền sóng đất anten đặt cao (sóng cực ngắn)4.3 Truyền sóng đất anten đặt thấp (sóng dài trung ngắn)4.1 KHÁI QUÁT CHUNG

1 Thông số điện của đất

- Một số giả thiết,

- Giá trị điển hình của một số loại đất (bảng 10.1 tr 158)

2 Phân loại các trường hợp truyền lan sóng đất

- Phân biệt trường hợp anten đặt thấp và anten đặt cao :

anten đặt thấp là trường hợp truyền sóng đất ở dải sóng dài trung ngắn,

anten đặt cao là trường hợp truyền sóng đất ở dải sóng cực ngắn

- Phân biệt trường hợp mặt đất phẳng và mặt đất cầu

khi cự ly thông tin không lớn so với độ cong mặt đất thì coi mặt đất là phẳng và khi cự

ly thông tin lớn cần tính tới độ cong của mặt đất cầu

- trường hợp mặt đất phẳng – hiện tượng mặt đất hấp thụ sóng điện từ

- trường hợp mặt đất cầu – hiện tượng nhiễu xạ

4.2 ANTEN ĐẶT CAO (đúng với truyền sóng đất dải sóng cực ngắn)

b Điều kiện truyền sóng tốt nhất (tự đọc)

c Thực tế : đối với các hệ thống thông tin di động, thông tin mặt đất khác ảnh hưởng của

giao thoa nhiều tia rất phức tạp, người ta phải sử dụng nhiều mô hình truyền sóng gần đúng khác nhau, sẽ được khảo sát trong các môn học khác, như thông tin di động

4.3 ANTEN ĐẶT THẤP (đúng với dải sóng dài trung ngắn)

b Công thức Sulâykin-Vander Pol

- công thức truyền sóng lý tưởng (đất dẫn điện lý tưởng)

- công thức Sulâykin-Vander Pol (10.40) hoặc (10.41)

- xác định hệ số suy giảm F tính theo đồ thị hình 10.14 hoặc theo công thức (10.48) và (10.49)

Nx : tổn hao sẽ tăng (F tăng) khi

rút ngắn bước sóng (    , x , F  ) hay giảm độ dẫn điện của đất (đất khô hơn)

- trường hợp anten nằm ngang, sóng bức xạ phân cực ngang và x được tính theo công thức (10.50)

c Phương thức truyền lan sóng mặt đất thực tế chỉ có hiệu quả đối với sóng dài và sóng

trung, ít hiệu quả đối với sóng ngắn và sóng cực ngắn.

2 Mặt đất phẳng không đồng nhất

- cơ sở :  càng lớn, mặt đất dẫn điện càng tốt thì độ suy giảm F càng nhỏ

khoảng cách càng xa, cường độ trường càng suy giảm

- trường hợp truyền sóng qua miền đất không đồng nhất, độ suy giảm tại bờ (không đồng nhất) không liên tục, cụ thể :

trường hợp đất – biển : quanh bờ, cường độ trường ở miền biển (khoảng cách xa hơn) lại lớn hơn cường độ trường ở miền đất liền (khoảng cách gần hơn) theo hình 10.17

trường hợp biển – đất : ngược lại cường độ trường suy giảm mạnh hơn khi đi sâu vào bờ

- Hiện tượng khúc xạ tại bờ : là hiện tượng biến đổi hướng của sóng khi gặp bờ phân giới (tr 180)

3 Mặt đất cầu – hiện tượng nhiễu xạ

- Hiện tượng nhiễu xạ là hiện tượng quỹ đạo sóng bị uốn cong đi quanh vật chướng ngại gặp trên đường truyền lan

- Giải thích bằng nguyên lý Huyghen và miền Fresnel

- Chiều cao tương đương h ứng với khoảng cách r

- Hiện tượng nhiễu xạ chỉ có tác dụng đối với sóng dài và sóng trung

4.4 CÔNG CỤ TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ TRƯỜNG SÓNG ĐẤT

- công cụ đồ thị của CCIR (Ủy ban tư vấn vô tuyến điện quốc tế (CCIR-Consultative Committee for International Radio)

http://www.itu.int/brgs/sg3/databanks

Câu hỏi ôn tập chương 4 :

1 Công thức giao thoa Vedenski

2 Công thức giao thoa khi tính tới độ cong mặt đất

Chương 5TRUYỀN SÓNG TẦNG ĐỐI LƯU5.1 ĐẶC TÍNH TẦNG ĐỐI LƯU

1 Tính chất vật lý tầng đối lưu

tự đọc, chú ý kết luận cuối cùng ở cuối trang 183

2 Tính chất điện của tầng đối lưu

- khái niệm hệ số điện môi tương đối '

chiết suất của môi trường điện môi n  'chỉ số chiết suất N  10 (6 n  1)

- đối với tầng đối lưu thường dN 4.3.10 (1/ )2 m

dh



 

5.2 TÁC ĐỘNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU ĐỐI VỚI TRUYỀN SÓNG ĐẤT

1 Hiện tượng khúc xạ khí quyển

- Hiện tượng khúc xạ khí quyển ?

- Bán kính cong của quỹ đạo sóng

mô hình số liệu : n và dn,  và d , n  1, sin   1

sử dụng các giả thiết gần đúng thực tế có công thức (11.14), và nhận xét ở cuối trang 187

2 Bán kính tương đương của trái đất – sóng đất anten đặt cao (sóng cực ngắn)

- Mô hình toán xác định bán kính tương đương của trái đất (hình 11.5)

và có atd  8500 km

- tính r0' và h’

3 Hiện tượng phadinh trong tầm nhìn thẳng (tự đọc)

5.3 TRUYỀN SÓNG TẦNG ĐỐI LƯU

1 Truyền sóng tầng đối lưu kiểu ống dẫn sóng

- Hiện tượng siêu khúc xạ phát sinh truyền sóng ống dẫn sóng

- điều kiện phát sinh ống dẫn sóng tầng đối lưu

2 Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu

- Hiện tượng, và giải thích định tính

- công thức tính toán (E E e  0 r) và đồ thị tính toán

Câu hỏi ôn tập chương 5 :

1 Các đặc tính của tầng đối lưu

2 Hiện tượng khúc xạ khí quyển và bán kính tương đương của trái đất

Chương 6TRUYỀN SÓNG TẦNG ĐIỆN LY6.1 TÍNH CHẤT CỦA TẦNG ĐIỆN LY

- cấu tạo tầng khí quyển cao

- các nguyên nhân ion hoá chất khí

- sự hình thành các lớp khí quyển tầng điện ly

3 giả thiết

3 nguyên nhân

sự tái hợp của các điện tích tự do

- hệ số điện môi và điện dẫn suất của tầng điện ly

a- trường hợp không kể tới ion và không kể tới va chạm

' 2

0

2 '

0

0_ :

01

c- có tính tới va chạm, tính tới sự hấp thụ trong chất khí ion hoá

dv

i v dt

2 2 0

11

e i

e i

N e m

N e m

e i

N N

- góc tới hạn

0 0 1 1sin  sin    sin n n

    với mỗi giá trị Ne và tần số f, tồn tại một góc 0th mà sóng chỉ phản xạ với 00th, còn khác

đi sóng sẽ vượt qua tầng điện ly không phản xạ trở về mđ (chú ý chỉ số 0 biểu thị tầng dưới cùng của tầng điện ly có '

0 1

  )

- cự ly tới hạn (cự ly phản xạ ngắn nhất) và miền im lặng

- tần số tới hạn và tần số cực đại (ứng với mỗi góc 0)

một cự ly thông tin nhất định quy định một góc tới 0 và một giá trị Ne, có một giá trị tần số lớn nhất có thể phản xạ là

0

80.8cos

e N

( )

seccos

- Hình 12.13 các lớp khí quyển tầng điện ly theo thời gian trong ngày

- phản xạ được sóng trung và dải dưới sóng ngắn

- cả ban ngày và ban đêm sóng trung đều phản xạ được từ lớn E, nhưng ban ngày có lớp D hấp thụ mạnh sóng trung nên coi như sóng trung không truyền lan được bằng phương thức sóng trời vào ban ngày

Lớp F - phản xạ sóng ngắn

- ban ngày tách làm 2Lớp Es

- bất thường về mật độ điện tử, có thể cao hơn lớp E, thậm chí cả lớp F nên có thể phản xạ được cả tần số rất cao

- bất thường về thời gian

- bất thường về không gian

Câu hỏi ôn tập chương 6 :

1 Các đặc tính của tầng điện ly

2 Tính thông số điện của tầng điện ly trong trường hợp đơn giản hoá

3 Tính thông số điện của tầng điện ly khi tính tới cả sự va chạm các hạt dẫn

4 Khúc xạ và phản xạ sóng trong tầng điện ly

5 Đặc tính các lớp ion hoá trong tầng điện ly