truyền sóng & anten 2006 - ts. nguyễn phạm anh dũng & ths. phạm thị thúy hiền

CHƯƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Các chủ đề được trình bày trong chương - Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng - Các phương pháp truy

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

TRUYỀN SÓNG – ANTEN

(Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa)

Lưu hành nội bộ

HÀ NỘI - 2006

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

TRUYỀN SÓNG – ANTEN

Biên soạn : TS Nguyễn Phạm Anh Dũng

ThS Phạm Thị Thúy Hiền

Các hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt là các hệ thống thông tin di động đã và đang phát triển rất mạnh mẽ Quá trình truyền sóng và anten là những phần kiến thức không thể thiếu khi nghiên cứu về các hệ thống này

Mục đích của tài liệu này là cung cấp cho sinh viên các kiến thức căn bản nhất về truyền lan sóng vô tuyến điện và anten.Tài liệu bao gồm các bài giảng về môn học "Truyền sóng và anten" được biên soạn theo chương trình đại học công nghệ viễn thông của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Tài liệu này được xây dựng trên cơ sở sinh viên đã học các môn: Lý thuyết trường điện từ,

Kỹ thuật siêu cao tần

Do hạn chế của thời lượng nên tài liệu này chỉ bao gồm các phần căn bản liên quan đến các kiến thức căn bản về truyền sóng và anten Tuy nhiên học kỹ tài liệu này sinh viên có thể hoàn chỉnh thêm kiến thức của môn học bằng cách đọc các tài liệu tham khảo dẫn ra ở cuối tài liệu này

Tài liệu này được chia làm sáu chương Được kết cấu hợp lý để sinh viên có thể tự học Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài bài tập Cuối tài liệu là đáp án cho các bài tập

Người biên soạn: TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng

ThS Phạm Thị Thúy Hiền

CHƯƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1

2.4 Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi kể đến ảnh hưởng của địa hình 29

CHƯƠNG 3 KÊNH TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 43

3.10 Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong

5.4 Các tham số của chấn tử đối xứng 85

5.5 Ảnh hưởng của mặt đất đến đặc tính bức xạ của anten 92

5.6 Hệ hai chấn tử đặt gần nhau 96

5.7 Các phương pháp cấp điện cho chấn tử đối xứng 103

5.8 Tổng kết 109

5.9 Câu hỏi và bài tập 109

CHƯƠNG 6 ANTEN DÙNG TRONG THÔNG TIN VI BA 111

6.1 Giới thiệu chung 111

6.2 Đặc điểm và yêu cầu của anten dùng trong thông tin vi ba 111 6.3 Anten nhiều chấn tử 113

6.4 Anten khe 120

6.5 Nguyên lý bức xạ mặt 124

6.6 Anten loa 129

6.7 Anten gương 132

6.8 Tổng kết 138

6.9 Câu hỏi và bài tập 138

CHƯƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Các chủ đề được trình bày trong chương

- Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng

- Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực

- Công thức truyền sóng trong không gian tự do

1.1.2 Hướng dẫn

- Hoc kỹ các phần được trình bày trong chương

- Tham khảo thêm [1], [2], [3]

- Trả lời các câu hỏi và bài tập

1.1.3 Mục đích của chương

- Nắm được các dạng phân cực của sóng vô tuyến điện và các băng sóng vô tuyến

- Hiểu về các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực

- Nắm được cách tính toán các tham số khi truyền sóng trong không gian tự do

1.2 NHẮC LẠI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ

Sóng điện từ bao gồm hai thành phần: điện trường, ký hiệu E (V/m) và từ trường, ký hiệu

H (A/m) Chúng có quan hệ mật thiết với nhau trong quá trình truyền lan và được mô tả bằng hệ phương trình Maxwell, viết ở các dạng khác nhau

Giả sử ta xét một sóng phẳng truyền lan trong môi trường điện môi đồng nhất và đẳng hướng có các tham số: hệ số điện môi ε và hệ số từ thẩm μ, khi không có dòng điện và điện tích ngoài, thì hệ phương trình Maxwell biểu thị mối quan hệ giữa điện trường và từ trường được viết dưới dạng vi phân như sau:

y x

y x

HE

HE

Nghiệm của hệ phương trình này cho ta dạng của các thành phần điện trường và từ trường

Nếu môi trường truyền sóng là chân không (còn được gọi là không gian tự do) các tham

số của môi trường có giá trị:

0

120 (Ω) Trong thực tế sóng điện từ thường biến đổi điều hòa theo thời gian Đối với các sóng điện

từ phức tạp ta có thể coi nó là tổng vô số các dao động điều hòa, nghĩa là có thể áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị Trong trường hợp này khi giả thiết chỉ có sóng thuận, tức là sóng truyền từ nguồn theo phương trục z và môi trường mà không có sóng nghịch thì các thành phần điện trường và từ trường được biểu thị như sau:

Trong đó k = ω/v = 2π/λ gọi là hệ số pha hay hằng số sóng

Sóng điện từ có mật độ công suất ( hay còn gọi là thông lượng năng lượng), được biểu thị bởi véc

tơ năng lượng k [E H]r = r r× Như vậy sóng điện từ có các véc tơ Er

và nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng

Hr

kr Bởi vậy sóng điện từ truyền đi trong môi trường đồng nhất đẳng hướng là sóng điện từ ngang TEM

Hình 1.1 Sự truyền lan sóng điện từ

1.3 SỰ PHÂN CỰC CỦA SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN

Trường điện từ của sóng vô tuyến điện khi đi trong một môi trường sẽ dao động theo một hướng nhất định Phân cực của sóng điện từ chính là hướng dao động của trường điện từ Việc sử dụng các phân cực khác nhau của sóng điện từ có một ý nghĩa rất lớn trong việc sử dụng hiệu quả tần số trong thông tin vô tuyến

Trường tại vùng xa của anten có dạng sóng phẳng TEM và được xác định bằng vectơ Pointing: k [E H]r = r r× Điều này có nghĩa là các vectơ Er

và Hr nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng k r

Phương của đường do đầu mút của véc tơ trường điện vẽ lên sẽ xác định phân cực sóng Trường điện và trường từ là các hàm thay đổi theo thời gian Trường từ thay đổi đồng pha với trường điện và biên độ của nó tỷ lệ với biên độ của trường điện, vì thế ta chỉ cần xét trường điện

Có ba loại phân cực sóng vô tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực tròn và phân cực elip

1.3.1 Phân cực thẳng

Hầu hết truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, trong đó phân cực đứng được gọi là phân cực trong đó trường điện vuông góc với mặt đất và phân cực ngang được gọi là phân cực trong đó trường điện song song với mặt đất Giả thiết rằng phương ngang và đứng được coi là trục x và y (hình1.2a) Tại một điểm nào đó trong không gian, vectơ trường của sóng được biểu thị bởi các thành phần thẳng đứng và nằm ngang như sau:

Trường tổng sẽ là vectơ E hợp với trục ngang một góc được xác định như sau:

x

Earctan g

E

Trong trường hợp này ta thấy vectơ Er

không biến đổi Độ dài của vectơ thay đổi theo thời gian nhưng đầu mút của vectơ luôn nằm trên đường thẳng cố định trùng với phương của vectơ có góc nghiêng α (hình 2c) Đó là hiện tượng phân cực đường thẳng của sóng điện từ Khi α = 00 ta có sóng phân cực ngang, lúc này vectơ Er luôn song song với mặt đất; còn khi α = 900

ta có sóng phân cực đứng, vectơ E luôn vuông góc với mặt đấy r

y

x

+Ey

-Ey-Ex +Ex

y

x Trôc z hưíng

Er

Er quay quanh gốc của nó trong mặt phẳng xy với vận tốc ω Đầu mút của vectơ trường điện vẽ lên đường tròn có bán kính bằng độ dài vectơ Đó là hiện tượng phân cực tròn

t = 00x

y

zVectơ x

hướng ra ngoài

§iÓm nh×n theo

IEEE

zLHC

Hình 1.3 Phân cực tròn

Hướng của phân cực tròn được định nghĩa bởi phương quay của vectơ điện nhưng điều này đòi hỏi ta phải quan sát cả chiều quay của vectơ Theo định nghĩa của IEEE thì phân cực tròn tay phải (RHC) là phân cực quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng (hình 1.3), còn phân cực tròn tay trái (LHC) là phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng Phương truyền sóng dọc theo trục z dương

Tỷ số sóng phân cực elip là tỷ số giữa trục chính và trục phụ của elip Phân cực elip trực giao xẩy ra khi một sóng có cùng tỷ số phân cực nhưng phương quay ngược chiều

1.4 PHÂN CHIA SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN THEO TẦN SỐ VÀ BƯỚC SÓNG

1.4.1 Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện

khác nhau như y học, quốc phòng, thăm dò tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu vũ trụ, thông tin liên lạc Dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm truyền lan để phân chia sóng vô tuyến điện thành các băng sóng khác nhau

Sóng cực dài: Những sóng có buớc sóng lớn hơn 10.000 m (tần số thấp hơn 30 kHz)

MHz).Sóng cực ngắn được chia nhỏ hơn thành một số băng tần số

Tiếp đến là các băng sóng gần ánh sáng, hồng ngoại, ánh sáng trắng, tia cực tím, tia X… Khoảng tần số từ 30 Hz đến 3000 GHz được chia thành 11 băng tần như trong bảng 1.1

1.4.2 Các băng sóng vô tuyến điện và ứng dụng

Mỗi băng sóng được ứng dụng cho các hệ thống thông tin khác nhau do đặc điểm truyền lan sóng trong các môi trường thực

Băng sóng cực dài sử dụng ở lĩnh vực vật lý, thông tin vô tuyến đạo hàng, thông tin trên biển

Băng sóng dài và băng sóng trung được sử dụng cho thông tin phát thanh nội địa, điều biên; thông tin hàng hải; vô tuyến đạo hàng

Băng sóng ngắn sử dụng cho phát thanh điều biên cự ly xa và một số dạng thông tin đặc biệt

Băng sóng mét được sử dụng cho phát thanh điều tần và truyền hình

Băng sóng decimét được sử dụng cho truyền hình, các hệ thống thông tin vi ba số băng hẹp, thông tin di động

Băng sóng centimét được sử dụng cho thông tin vi ba số băng rộng, thông tin vệ tinh Băng sóng milimét được sử dụng hạn chế cho thông tin vệ tinh với băng Ka, dùng cho thông tin vũ trụ

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC

Sơ lược về bầu khí quyển

Bầu khí quyển của trái đất được chia làm 3 vùng chính: tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng điện ly Biên giới giữa các tầng này không rõ ràng và thay đổi theo mùa và theo vùng địa lý Tính chất của các vùng này rất khác nhau

Tầng đối lưu là khoảng không gian tính từ bề mặt trái đất lên đến độ cao 6 đến 11 km Nhiệt độ của không khí trong tầng đối lưu thay đổi theo độ cao (nhiệt độ giảm khi độ cao tăng)

Ví dụ nhiệt độ trên bề mặt trái đất là 100C có thể giảm đến -550C tại biên trên của tầng đối lưu

Tầng bình lưu bắt đầu từ biên trên của tầng đối lưu và có phạm vi khoảng 50 km Đặc điểm của tầng này là nhiệt độ hầu như không thay đổi theo độ cao

Tầng điện ly tồn tại ở độ cao khoảng từ 60 km đến 600 km Lớp khí quyển ở tầng này rất mỏng và bị ion hóa rất mạnh chủ yếu là do bức xạ của mặt trời, ngoài ra còn có bức xạ của các vì sao, các tia vũ trụ, chuyển động của các thiên thạch tạo thành một miền bao gồm chủ yếu là các điện tử tự do và các ion

Bên cạnh đó, do tính chất vật lý của mỗi băng sóng mà mỗi băng sóng có phương thức truyền lan thích hợp để đạt được hiệu quả nhất

Do đó, tùy theo môi trường truyền sóng có bốn phương thức truyền lan sau: truyền lan sóng

bề mặt, truyền lan sóng không gian, truyền lan sóng trời (sóng điện ly), và truyền lan sóng tự do Sóng bề mặt và sóng không gian đều được gọi là sóng đất (cùng truyền lan trong tầng đối lưu) tuy nhiên chúng có sự khác nhau rõ rệt

1.5.1 Truyền lan sóng bề mặt

Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc trực tiếp với bề mặt trái đất Bề mặt quả đất là một môi trường bán dẫn điện, khi một sóng điện từ bức xạ từ một anten đặt thẳng đứng trên mặt đất, các

đường sức điện trường được khép kín nhờ dòng dẫn trên bề mặt quả đất như chỉ ra ở hình 1.4 Nếu gặp vật chắn trên đường truyền lan, sóng sẽ nhiễu xạ qua vật chắn và truyền lan ra phía sau vật chắn

Hình 1.4: Quá trình truyền lan sóng bề mặt

Như vậy sự truyền lan sóng bề mặt có thể dùng để truyền tất cả các băng sóng Tuy nhiên, sóng bề mặt bị suy giảm nhiều do sự hấp thụ của trái đất Sự suy giảm phụ thuộc vào tần số, khi tần số tăng thì sự suy giảm càng lớn Hơn nữa khả năng nhiễu xạ qua vất chắn trên đường truyền phụ thuộc vào độ cao tương đối của vật chắn so với bước sóng

Với các loại đất có độ dẫn điện lớn như mặt biển, đất ẩm thì sóng ít bị suy hao trong đất, làm cho cường độ trường tại điểm thu tăng lên Các sóng vô tuyến điện có bước sóng lớn khả năng nhiễu xạ mạnh và bị mặt đất hấp thụ nhỏ Bởi vậy sóng bề mặt được sử dụng để truyền lan các băng sóng dài và sóng trung như trong hệ thống phát thanh điều biên, hay sử dụng cho thông tin trên biển

1.5.2 Truyền lan sóng không gian

Lớp khí quyển bao quanh quả đất có độ cao từ 0 đến 11km (với tầng đối lưu tiêu chuẩn), gọi là tầng đối lưu Các hiện tượng thời tiết như sương mù mưa, bão, tuyết đều xẩy ra trong tầng đối lưu và ảnh hưởng rất lớn đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến điện

Nếu hai anten thu và phát đặt cao (nhiều lần so với bước sóng công tác) trên mặt đất thì sóng có thể truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, hoặc phản xạ từ mặt đất như chỉ ra ở hình 1.5a, hoặc lợi dụng sự không đồng nhất của một vùng nào đó trong tầng đối lưu để tán xạ sóng vô tuyến dùng cho thông tin gọi là thông tin tán xạ tầng đối lưu như chỉ ra ở hình 1.5b Các phương thức thông tin như trên gọi là truyền lan sóng không gian hay sóng tầng đối lưu

Phương thức truyền lan sóng không gian thường được sử dụng cho thông tin ở băng sóng cực ngắn (VHF, UHF, SHF), như truyền hình, các hệ thống vi ba như hệ thống chuyển tiếp trên mặt đất, hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh Phương thức truyền lan sóng không gian

sẽ được nghiên cứu kỹ trong chương II

đồng nhất

1.5.3 Truyền lan sóng trời

Lớp khí quyển ở độ cao khoảng 60 km đến 600 km bị ion hoá rất mạnh chủ yếu do năng lượng bức xạ của mặt trời, tạo thành một lớp khí bao gồm chủ yếu là điện tử tự do và các ion Lớp khí quyển đó được gọi là tầng điện ly Tính chất đặc biệt của tầng điện ly là trong những điều kiện nhất định có thể phản xạ sóng vô tuyến điện Lợi dụng sự phản xạ đó để sử dụng cho thông tin vô tuyến bằng cách phản xạ một hoặc nhiều lần từ tầng điện ly, như chỉ ra ở hình 1.6 Phương thức

đó gọi là phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly

Hình 1.6: Truyền lan sóng trời

1.5.4 Truyền lan sóng tự do

Trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ ví dụ như môi trường chân không, sóng vô tuyến điện khi truyền lan từ điểm phát đến điểm thu sẽ đi theo đường thẳng, như chỉ ratrên hình 1.7, không ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng

Trong thực tế một môi trường lý tưởng như vậy chỉ tồn tại ngoài khoảng không vũ trụ Với lớp khí quyển quả đất chỉ trong những điều kiện nhất định, khi tính toán cũng có thể coi như môi trường không gian tự do

Trạm trên mặt Mục tiêu trong

Hình 1.7 Sự truyền lan sóng tự do

Hình 1.8 cho ta thấy các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực của khí quyển quả đất

Sóng tự doKhông gian tự do

1.6.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường

Giả thiết có một nguồn bức xạ vô hướng (đẳng hướng) có công suất phát PT(W) đặt tại điểm A trong một môi trường không gian tự do là môi trường đồng nhất đẳng hướng và không hấp thụ, có hệ số điện môi tương đối ε' = 1 Xét trường tại một điểm M cách A một khoảng r (m)

Hình 1.9: Bức xạ của nguồn bức xạ vô hướng trong không gian tự do

điện từ do nguồn bức xạ sẽ tỏa đều ra không gian thành hình cầu Như vậy mật độ công suất (mật

độ thông lượng năng lượng) ở điểm M cách nguồn một khoảng r sẽ được xác định bằng công thức sau:

T i

(PW)

Trong đó: Eh (V/m), Hh (A/m) là giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường và từ trường ; 120π là trở kháng sóng của không gian tự do (Ω)

Thay công thức (1.11) vào (1.10) được

h i

So sánh công thức (1.12) và (1.9) ta có

T h

r

= 302 Nhận xét: cường độ điện trường của sóng vô tuyến điện truyền lan trong môi trường đồng nhất đẳng hướng và không hấp thụ tỷ lệ thuận với căn hai công suất bức xạ, tỷ lệ nghịch với khoảng cách Khoảng cách tăng thì cường độ trường giảm vì năng lượng sóng toả rộng ra không gian, còn gọi là sự khuyếch tán tất yếu của sóng Để hạn chế sự khuếch tán này người ta sử dụng các bộ bức xạ có năng lượng tập trung về hướng cần thông tin để làm tăng cường độ trường lên

Đó chính là các anten có hướng, với hệ số hướng tính D hoặc hệ số khuếch đại G

Nếu nguồn bức xạ có hướng, lúc đó năng lượng của sóng vô tuyến điện sẽ được tập trung

về hướng điểm M được biểu thị bằng hệ số hướng tính hay hệ số khuếch đại như chỉ ra trên hình 1.10

T T h

r30

Nếu sóng điện từ do nguồn bức xạ biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là theo quy luật sinωt, cosωt, hoặc viết dưới dạng phức số eiωt thì giá trị tức thời của cường độ điện trường sẽ được biểu thị bởi công thức

T

T kW h

T

T kW m

1.6.2 Công suất anten thu nhận được

Trong khi tính toán tuyến ta cần phải xác định công suất anten thu nhận được PR để đưa vào đầu vào của máy thu sao cho máy thu có thể làm việc được Công suất anten thu nhận được bằng mật độ thông lượng công suất tại nơi đặt anten thu nhân với diện tích hiệu dụng của anten thu:

Diện tích hiệu dụng củ anten thu bằng diện tích thực tế nhân với hiệu suất làm việc Ah = A ηa Trong các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng anten gương parabol tròn xoay quan hệ giữa tính hướng và diện tích hiệu dụng của anten được cho bởi công thức

λ

=π

2 2

và được gọi là tổn hao không gian tự do

Nếu ta bức xạ ra môi trường một công suất PT, anten thu chỉ nhận được một công suất PR, thì hệ số tổn hao truyền sóng được định nghĩa bằng tỉ số của công suất bức xạ trên công suất anten thu nhận được, được biểu thị bằng biểu thức:

rP

4

Trong trường hợp không có tác động tính hướng của nguồn, nghĩa là GT=1, GR=1, tổn hao được gọi là tổn hao truyền sóng cơ bản trong không gian tự do, và bằng:

=λ

2

4

10log10L = 20log10(4πr) - 20log10λ - 10log10GT - 10log10GR

Để hiểu rõ một số đặc điểm truyền lan của sóng trên mặt đất cần biết những khái niệm về miền Fresnel Việc biểu thị miền được dựa trên nguyên lý Huyghen

Nguyên lý Huyghen cho biết rằng mỗi điểm của mặt sóng gây ra bởi một nguồn bức xạ sơ cấp có thể được coi như một nguồn sóng cầu thứ cấp mới Vì vậy nguyên lý này cho phép ta có thể tính trường điện từ ở một điểm bất kỳ trong không gian khi đã biết được trường ở một bề mặt nào đó Giả sử nguồn của sóng sơ cấp đặt tại điểm A (hình 1.11) Ký hiệu S là một mặt kín bất kỳ bao quanh nguồn sóng Bây giờ ta xác định trường của sóng tại điểm bất kỳ nằm ngoài mặt kín, theo các trị số của trường trên mặt S

A

M

Hình 1.11: Xác định trường theo nguyên lý Huyghen

Ký hiệu ψ là thành phần của trường cần tìm tại điểm M và ψS là trị số của thành phần ấy trên mặt S Khoảng cách từ mỗi điểm trên mặt S đến M được ký hiệu là r

Theo nguyên lý Huyghen, trường thứ cấp tạo bởi một nguyên tố bề mặt dS tại điểm M được xác định theo công thức

ikr S

eAr

Trong trường hợp mặt S có dạng bất kỳ, công thức Huyghen có dạng tổng quát

ikr ikr

S S

Nguyên lý Huyghen cũng nêu lên rằng năng lượng từ mỗi điểm truyền theo tất cả các hướng

và tạo thành nhiều mặt sóng cầu sơ cấp được gọi là các sóng con Đường bao của các sóng con này sẽ tạo ra một mặt sóng mới Với độ chính xác cao, mỗi mặt sóng có thể được biểu diễn bởi một mặt phẳng có pháp tuyến chính là véc tơ mật độ thông lượng năng lượng k (hình 1.12, đường

AA’ được coi là vị trí bắt đầu của sóng) Các sóng sơ cấp bắt nguồn từ mỗi điểm trên AA’ tạo ra một mặt sóng mới BB’ Mặt BB’ được vẽ tiếp tuyến với tất cả các sóng sơ cấp có cùng bán kính Như chỉ ra trong hình các sóng thứ cấp bắt nguồn từ các điểm dọc AA’ có biên độ không cùng tỉ

lệ theo tất cả các hướng Nếu gọi α là góc giữa hướng của điểm C bất kỳ trên mặt cầu sơ cấp và véc tơ pháp tuyến của mặt sóng thì biên độ sóng sơ cấp theo hướng đó sẽ tỉ lệ với (1+ cosα) Như vậy biên độ sóng theo hướng k sẽ tỉ lệ với (1+ cos0) = 2, còn trong hướng khác biên độ sẽ nhỏ hơn 2 Sóng ngược trở lại có biên độ bằng 0 vì (1+ cosπ) = 0 Do đó không có sóng truyền theo hướng ngược trở lại Các sóng truyền về phía trước theo hướng pháp tuyến với mặt sóng Sự sai khác pha giữa các dao động tại các điểm lân cận của các đường AA’ và BB’ phụ thuộc vào khoảng cách r giữa chúng theo tỉ lệ k.r = 2πr/λ Nếu r = λ thì tất cả các điểm của AA’ và BB’ sẽ dao động cùng pha, còn nếu r = λ/2 thì các điểm đó sẽ dao động ngược pha

Nguyên lý Huyghen cho phép xác định phần không gian thực sự tham gia vào quá trình

truyền lan sóng Giả sử có một nguồn bức xạ được đạt tại điểm A và máy thu được đặt tại

điểm B Lấy A làm tâm, ta vẽ một hình cầu bán kính r1 Hình cầu này là một trong số các mặt

sóng Trên hình 1.13 ký hiệu r2 là khoảng cách từ B đến mặt cầu bán kính r1 Từ B vẽ một họ

các đường thẳng cắt mặt cầu ở các điểm cách B một khoảng bằng r2 +λ/2 Họ các đường

thẳng này sẽ tạo thành một hình chóp nón cắt mặt cầu tại N1 và N1’ Bằng cách tương tự ta lập

các mặt nón bậc cao có

BN1 = r2 + λ/2

BN2 = r2 + 2λ/2, …

BNn = r2 + nλ/2

Giao của các mặt nón với mặt cầu là các đường tròn đồng tâm Miền giới hạn bởi các

đường tròn gọi là miền Fresnel Miềm giới hạn bởi đường tròn N1 là miền; miền giới hạn bởi các

đường tròn N1 và N2 là miền Fresnel thứ hai…(Miền Fresnel bậc cao)

Áp dụng nguyên lý Huyghen, ta coi mặt cầu là tập hợp những nguồn điểm thứ cấp và ta

tính trường tạo bởi những nguồn ấy tại điểm B Các nguồn điểm thứ cấp trong miền Fresnel thứ

nhất sẽ tạo ra trường tại B có pha khác pha với trường do điểm N0 tạo ra ở B một góc Δϕ < 1800

Pha của trường tạo bởi nguồn điểm thứ cấp trong miền Fresne bậc hai khác pha với trường do

điểm N0 tạo ra ở B một góc 1800 < Δϕ < 3600 Một cách tổng quát có thể thấy rằng Pha của

trường tạo bởi miền Fresne bậc hai khác pha với trường tạo bởi miền Fresnel thứ nhất 1800 Pha

của trường tạo bởi miền Fresne bậc ba khác pha với trường tạo bởi miền Fresnel thứ hai 1800

sự khác nhau ấy được biểu thị bởi các dấu cộng, trừ trên hình vẽ

++

++++

++

++

++

++

+-

-

N3

Người ta chứng minh được rằng tác dụng của các miền Fresnel bậc cao nằm kề nhau sẽ bù trừ cho nhau do pha của chúng ngược nhau nên cuối cùng tác dụng tổng hợp của tất cả các miền Fresnel bậc cao gần như chỉ tương đương tác dụng của khoảng nửa miền Fresnel thứ nhất Như vậy, khoảng không gian có tham gia vào quá trình truyền sóng có thể xem như được giới hạn bởi một nửa miền Fresnel thứ nhất

Các vùng Fresnel có thể được xây dựng trên các bề mặt có hình dạng bất kỳ Để thuận tiện

ta chọn bề mặt để lập miền Fresnel là mặt phẳng S0 Mặt phẳng này vuông góc với phương truyền lan AB (hình 1.14)

Đây chính là phương trình của hình elipsoit với các tiêu điểm A và B (hình 1.15) Khoảng không gian tham gia vào quá trình truyền lan sóng được giới hạn bởi ½ miền Fresnel thứ nhất Trong hình vẽ, khoảng không gian này được đánh dấu bởi các đường kẻ song song

có ý nghĩa rất lớn trong việc sử dụng một cách hiệu qủa tần số trong thông tin vô tuyến Thứ hai là

về cách phân chia các băng sóng vô tuyến và ứng dụng Thứ ba đề cập đến các phương pháp truyền lan sóng, có bốn phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực đó là: truyền lan sóng

bề mặt, truyền lan sóng không gian, truyền lan sóng trời và truyền lan sóng tự do Mỗi phương thức truyền sóng sẽ được sử dụng để truyền lan cho băng sóng nhất định để đạt được hiệu quả lớn nhất Trong chương cũng đưa ra các công thức tính toán các thông số cơ bản của quá trình truyền sóng đó là mật độ công suất, cường độ điện trường, công suất nhận được tại điểm thu, và tổn hao truyền sóng Cuối cùng đề cập đến khái niệm miền Fresnel và từ đó xác định khoảng không gian trực tiếp tham gia vào quá trình truyền lan sóng từ điểm phát đến điểm thu được giới hạn bởi một nửa miền Fresnel thứ nhất

1.9 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1.Trình bày các dạng phân cực của sóng vô tuyến điện

2 Trình bày các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực

3 Xây dựng công thức tính mật độ công suất bức xạ và cường độ điện trường khi truyền sóng trong môi rường không gian tự do

4 Phát biểu định nghĩa và viết biểu thức tính tổ hao truyền sóng

5 Trình bày về miền Fresnel

6 Mặt trời có công suất bức xạ theo mọi hướng khoảng 3,85.1020 W, khoảng cách nhỏ nhất từ quả đất đến mặt trời là 147.098.090 km (vào tháng giêng) và lớn nhất là 152.097.650 km Tính:

- Mật độ công suất bức xạ cực tiểu và cực đại của mặt trời lên bề mặt quả đất?

B

A

- Mật độ công suất bức xạ mặt trời ở khoảng cách trung bình và tỷ lệ phần trăm sai số của bức xạ cực đại và cực tiểu so với giá trị trung bình?

7 Một máy phát có công suất 3 W, anten phát có hệ số khuếch đại là 30 dBi Ở cự ly 40 km đặt một anten thu có diện tích hiệu dụng là 3,5 m2, hiệu suất làm việc 100% Tính công suất sóng mang nhận được ở anten thu

(a) 0,164.10-5 W; (b) 0,164.10-4 W; (c) 0,154.10-5 W ; (d) 0,154.10-4 W

8 Xác định công suất máy phát cần thiết để thực hiện tuyến thông tin có các điều kiện: cự ly thông tin 50 km, tần số công tác 2GHz, hệ số khuyếch đại của anten thu và anten phát là 30 dBi, công suất anten thu nhận được là 10-6W

12 Tính tổn hao khi truyền sóng trong không gian tự do (theo dơn vị dB) biết cự ly truyền sóng

50 km, tần số công tác 2 GHz, với anten vô hướng

16 Xác định mật độ công suất tại điểm cách anten 30 km của một anten có công suất bức xạ 5 W

và hệ số khuếch đại của anten là 40 dBi

(a) 4,42 pW; (b) 4,42 µW; (c) 5,42 pW; (d) 5,42 μW

17 Một anten phát có hệ số khuyếch đại 30 dBi, hiệu suất làm việc 60% Để có cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu cách anten phát 100 km bằng 3,46 mV/m thì cần phải đưa vào anten công suất là bao nhiêu? Với điều kiện sóng truyền trong không gian tự do

(a) 3 W; (b) 3,5W; (c) 4 W; (d) 5 W

CHƯƠNG 2 TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

2.1.1 Các chủ đề được trình bày trong chương

- Các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn

- Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiêp với các điều kiện lý tưởng

- Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi kể đến ảnh hưởng của địa hình

2.1.2 Hướng dẫn

- Hoc kỹ các phần được trình bày trong chương

- Tham khảo thêm [1], [2], [3]

- Trả lời các câu hỏi và bài tập

2.1.3 Mục đích của chương

- Nắm được các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn

- Nắm được các công thức tính toán trường khi truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng và trong các điều thực tế (có xét đến ảnh hưởng của địa hình và của tầng đối lưu)

- Hiểu về hiện tượng pha đinh và biện pháp chống

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN

Như đã giới thiệu ở chương 1, sóng cực ngắn là những sóng có tần số từ 3 MHz đến 300 GHz (ứng với bước sóng nhỏ hơn 10 m) và được chia thành 4 băng:

Sóng mét: bước sóng từ 10 m đến 1m (30 - 300 MHz)

Sóng decimét: bước sóng từ 1m đến 10 cm (300 - 3000 MHz)

Sóng centimét: bước sóng từ 10 cm đến 1cm (3000- 30.000 MHz)

Sóng milimétt: bước sóng ngắn hơn 1cm (tần số cao hơn 30.000 MHz)

2.2.1 Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu

Tầng đối lưu là lớp khí quyển trải từ bề mặt trái đất lên đến độ cao khoảng 8 - 10 km vĩ tuyến cực, khoảng 10 - 12 km ở các vĩ tuyến trung bình và 16 - 18 km ở vùng nhiệt đới Tầng đối lưu là một môi trường có các tham số thay đổi theo thời gian và không gian Các hiện tượng khí tượng như mưa, bão, tuyết đều xảy ra trong tầng đối lưu Bởi vậy tầng đối lưu là một môi trường không đồng nhất Nếu một vùng nào đó trong tầng đối lưu không đồng nhất với môi trường xung quanh, theo nguyên lý quang, một tia sóng đi vào vùng không đồng nhất sẽ kị khuếch tán ra mọi phía Sơ đồ tuyến thông tin theo phương thức tán xạ tầng đối lưu được vẽ ở hình 2.1

C

C

Hình 2.1 Sự khuếch tán sóng trong tầng đối lưu

Giả sử anten phát đặt tại A, giản đồ tính hướng của nó được giới hạn bởi hai đường AC và

AC1 và chiếm một thể tích nhất định của tầng đối lưu An ten thu đặt tại B, giản đồ tính hướng của

nó được giới hạn bởi hai đường BC và BD Hai giản đồ này giao nhau tại thể tích V, thể tích này

sẽ tham gia vào quá trình truyền sóng tán xạ và đươc gọi là thể tích tán xạ Nếu trong thể tích V cấu tạo của khí quyển không đồng nhất, nghĩa là trong đó có những miền mà hệ số điện môi cục

bộ khác với hệ số điện môi của môi trường xung quanh thì sóng đi vào vùng này sẽ bị khuếch tán

ra mọi phía và một phần sẽ được truyền tới anten thu

Trong thực tế phương thức thông tin này ít được sử dụng do độ tin cậy kém, pha đinh sâu, yêu cầu công suất máy phát lớn và tính hướng anten cao

2.2.2 Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu

Ở một khoảng chiều cao nào đó của tầng đối lưu nếu chiết suất biến thiện theo quy luật

dN

,

dh < −0 157 (1/m) thì tia sóng đi vào tầng đối lưu sẽ bị uốn cong với độ cong lớn hơn độ cong quả đất, minh họa trong hình 2.2 Hiện tượng đó gọi là hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu

Giả thiết miền siêu khúc xạ trải từ mặt đất lên đến độ cao h0, đồng thời ở độ cao lớn hơn

h0 chiết suất biến thiên theo quy luật giống như đối với tầng đối lưu thường Đặt tại A một nguồn bức xạ, những tia sóng có góc xuất phát lớn hơn so với mặt phẳng nằm ngang (tia 1 và tia 2) sẽ bị khúc xạ ít và nó xuyên qua miền siêu khúc xạ mà không bị giữ lại Ta ký hiệu αth là góc giới hạn

mà khi sóng xuất phát theo góc đó sẽ bị uốn cong theo đường giới hạn ở độ cao h0 (bán kính cong của tia sóng bằng bán kính trái đất, tia 3) Tất cả các tia có góc xuất phát α < αth đều bị uốn cong trở về mặt đất và phản xạ nhiều lần để truyền đi xa Hình ảnh sóng truyền đi xa khi có hiện tượng siêu khúc xạ giống với quá trình truyền sóng trong một ống dẫn sóng mà thành trên của ống dẫn là giới hạn trên của miên siêu khúc xạ và thành dưới là mặt đất

Lợi dụng tính chất trên của miền siêu khúc xạ để truyền lan sóng cực ngắn đi xa Tuy nhiên miền siêu khúc xạ xảy ra bất thường, độ cao và chiều dài của miền siêu khúc xạ cũng luôn luôn thay đổi nên sử dụng phương pháp truyền lan bằng siêu khúc xạ tầng đối lưu thông tin bị thất thường và không liên tục Chính vì thế phương pháp này cũng không sử dụng cho thông tin vi ba

2

31

Hình 2.2 Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu

2.2.3 Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp

phụ thuộc nhiều vào điều kiện thiên nhiên Bởi vậy, thông tin vi ba thường sử dụng phương pháp truyền lan trong phạm vi nhìn thấy trực tiếp Nghĩa là hai anten thu và phát phải đặt cao trên mặt đất để không bị che chắn bởi các chướng ngại vật có trên mặt đất, như chỉ ra trong hình vẽ

Phần duới đây ta sẽ xem xét kỹ phương pháp truyền lan này

2.3 TRUYỀN LAN SÓNG TRONG GIỚI HẠN NHÌN THẤY TRỰC TIẾP VỚI CÁC ĐIỀU KIỆN LÝ TƯỞNG

2.3.1 Tính cường độ trường trong trường hợp tổng quát - công thức giao thoa

Để đơn giản trước hết ta nghiên cứu quá trình truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với giả thiết môi trường ở các điều kiện lý tưởng Đó là: mặt đất phẳng, bỏ qua độ cong và độ

Hình 2.3 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp

ghồ ghề của mặt đất, khí quyển đồng nhất, không hấp thụ và anten đặt cao so với mặt đất ít nhất vài bước sóng công tác Lúc này quá trình truyền sóng được mô tả như hình 2.4

Tia 2Tia 1

C

BA

ht

hr

r

Hình 2.4 Mô hình truyền sóng trong điều kiện lý tưởng

Như vậy tại điểm thu B có một tia đi thẳng trực tiếp trong tầng đối lưu (được giả thiết là không gian tự do) (tia 1), gọi là tia tới trực tiếp, và một tia phản xạ từ mặt đất tại điểm C (tia 2) đi đến Chỉ có một tia phản xạ đến điểm B vì với giả thiết mặt đất phẳng, chỉ có tia 2 là thoả mãn điều kiện góc tới bằng góc phản xạ đối với điểm B

Cường độ trường tại điểm B sẽ là sự tổng cường độ trường của tia tới 1 và tia phản xạ 2 gây ra Hiện tượng đó gọi là hiện tượng giao thoa

Giả thiết độ dài đường truyền là r, chiều cao anten phát và thu là ht, hr Bằng phép tính hình học có thể tìm được điểm phản xạ C từ mặt đất, góc nghiêng Δ và hiệu số đường đi giữa tia phản xạ từ mặt đất và tia tới trực tiếp Δr

Cường độ điện trường tại điểm thu do tia tới trực tiếp truyền trong không gian tự do sẽ là:

Chọn hệ toạ độ sao cho góc pha đầu của tia tới trực tiếp bằng 0

Cường độ điện trường tại điểm thu của tia phản xạ sẽ là :

- r1 : đoạn đường đi của tia tới trực tiếp, bằng AB trên hình

- r2 : đoạn đường đi của các tia phản xạ, bằng AC + BC hình

- Δr: là hiệu số đường đi của tia phản xạ và tia trực tiếp Δr = r1-r2

- k : hệ số sóng bằng 2π/λ

- R : Hệ số phản xạ phức từ mặt đất: R Re = − θj , R là mô đun, θ góc pha phụ thuộc vào loại

đất tại điểm phản xạ và phân cực của sóng Các giá trị này thường được tính sẵn bằng bảng hoặc đồ thị

- GT1 và GT2 là hệ số khuếch đại của anten phát theo hướng tia trực tiếp và tia phản xạ Trong công thức hệ số G ở hướng tia tới và tia phản xạ coi như bằng nhau và bằng GT, vì trong thực tế một tuyến vi ba bao giờ cũng thoả mãn điều kiện độ cao anten ht, hr << r, bởi vậy phương bức xạ của tia 1 và 2 gần như trùng nhau

Cũng vì r >> ht, hr nên có thể coi r1≈ r2 ≈ r, ở phần biên độ Nhưng vì bước sóng công tác

ở giải sóng vi ba rất bé, góc sai pha do đường đi khác nhau giữa tia trực tiếp và tia phản xạ lại không thể bỏ qua được vì λ ≈ Δr, thay các điều kiện trên vào các công thức (2.1) và (2.2) ta sẽ nhận được:

ω

=1

Cường độ điện trường tổng hợp tại B bằng:

( ) ( )

j r T

( )

F= + R cos θ + Δ π λ +r / 2

F biểu hiện cho ảnh hưởng của mặt đất phẳng lên quá trình truyền lan sóng không gian ở

cự ly nhìn thấy trưc tiếp trực tiếp, khi anten đặt cao trên mặt đất Chú ý rằng thuật ngữ hệ số suy giảm ở đây chỉ có ý nghĩa tương đối và có điều kiện, bởi vì giá trị cực đại của F có thể lớn hơn 1 Trong công thức R là modun hệ số phản xạ và θ là góc sai pha khi phản xạ, chúng phụ thuộc vào góc tới, tính chất của đất và sự phân cực của sóng Các giá trị này thường được tính sẵn theo bảng hay đồ thị

Hiệu đường đi của tia phản xạ từ mặt đất và tia tới trực tiếp được xác định theo phương pháp hình học

B

B’

hr -ht Tia 2

Tia 1

C A

2

21

22

Các công thức trên chưa tính đến yếu tố phân cực, hoặc nói chính xác hơn chỉ đúng với sóng có phân cực ngang, lúc đó vectơ cương độ trường của tia tới và vectơ cường độ trường của tia phản xạ là cùng phương

Nếu sóng có phân cực thẳng đứng (hình 2.6) thì lúc đó vectơ E1vuông góc với tia AB còn vectơ E2 vuông góc với tia CB, như vậy chúng sẽ có phương kkhác nhau Tính toán chính xác trong trường hợp này theo tổng hợp vectơ E1 và E2 với góc lệch tương ứng giữa chúng có giá trị

α α

BTia 2

Như vậy, nếu sóng phân cực ngang thì trường tổng hợp sẽ là phân cực ngang và nếu sóng phân cực đứng thì trường tổng hợp có thể xem là phân cực đứng

Thay giá trị của Δr ở công thức (2.9) vào công thức (2.8) ta có

Ví dụ 2.1 Xác định hệ số suy giảm và cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu khi đường

truyền có các thông số sau: công suất phát 15W, bước sóng truyền lan là 35cm, hệ số khuếch đại của anten phát là 200, chiều cao anten phát là 80m, chiều cao anten thu là 20m, cự ly đường truyền là 8km Biết khi sóng phân cực ngang R = 0,91 và θ = 1800 và khi sóng phân cực đứng R = 0,68 và θ = 1800

Thay các giá trị vào công thức (2.10) tìm được

Khi sóng phân cực ngang:

F = 0,83 hay F = 20 lg 0,83 = -1,6 (dB) Khi sóng phân cực đứng:

F = 0,783 hay F = 20 lg 0,712 = -2,1 (dB) Theo công thức (2.7) giá trị cường độ trường tại điểm thu sẽ là:

Khi sóng phân cực ngang:

2.3.2 Các dạng đơn giản của công thức giao thoa

Trong thực tế độ cao của anten phát và thu nhỏ hơn rất nhiều so với khoảng cách giữa chúng nên góc nghiêng δ của tia phản xạ từ mặt đất sẽ nhỏ đến mức có thể xem R = 1 và θ = 1800 Thay vào các công thức (2.6) và (2.8) và biến đổi ta sẽ nhận được

( ) ( ) ( ) ( )

π ≤ π λ

Công thức (2.13) do Vêdenski đưa ra năm 1922 nên được gọi là công thức Vêdenski

Ví dụ 2.2 Xác định hệ số suy giảm và cường độ trường tại điểm đặt anten thu với các thông số

sau: công suất phát 50 W, bước sóng 10 cm, hệ số khuếch đại của anten phát là 60; chiều cao của anten phát và anten thu lần lượt là 25m và 10m; khoảng cách giữa hai anten là 10km, R = 1 và θ =

Ví dụ 2.3 Như ví dụ 2.2 nhưng bước sóng bằng 1m

Giải: Ta có h h t r = 25 10 = 250 (m2) và λr /18=555m2 nghĩa là thỏa mãn điều kiện h ht r ≤ λr

18 nên cường độ trường được tính theo công thức (2.13)

E = , − = ,

3 2

2 17 50 10 60 25 10

9 4

2.3.3 Điều kiện truyền sóng tốt nhất

Qua việc khảo sát công thức giao thoa ở trên ta thấy tia phản xạ từ mặt đất thường là gây tác dụng xấu, làm giảm cường độ trường tại điểm thu Nếu chọn quan hệ giữa các thông số của đường thông tin một cách thích đáng, có thể làm cho tia phản xạ hoặc sẽ không gây tác dụng xấu làm yếu trường hoặc sẽ tăng thên cường độ trường tại điểm thu

Giá trị hiệu dụng cường độ trường của tia tới trực tiếp được xác định bởi biểu thức

( )

T

T kW h

( ) ( ) ( ) ( )

có thể giải thích là trong trường hợp trên góc lệch pha do hiệu số đường đi giữa hai tia bằng 600, thêm vào đó là góc chậm pha 1800 khi sóng phản xạ từ mặt đất nên giữa các vec tơ E1 và E2 sẽ có góc lệch pha chung 2400 Do vậy độ lớn của véc tơ tổng bằng độ lớn của các véc tơ thành phần (hình 2.7)

Nếu chọn quan hệ giữa các thông số của một

2

1

thì trường tổng tại điểm thu sẽ lớn gấp hai lần trường của tia tới trực tiếp tạo ra Về ý nghĩa vật lý, điều này được giải thích là trong trường hợp này, góc lệch pha do hiệu số đường đi giữa hai tia bằng 1800, thêm vào đó là góc lệch pha 1800 khi sóng phản xạ từ mặt đất, trường của tia phản xạ tại điểm thu sẽ đồng pha với trường của tia tới trực tiếp

2.4 TRUYỀN SÓNG TRONG GIỚI HẠN NHÌN THẤY TRỰC TIẾP KHI

KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIẠ HÌNH

2.4.1 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi tính đến độ cong của mặt đất

Khi khoảng cách giữa anten phát và anten thu khá lớn, ta không thể coi mặt đất là phẳng mà phải coi nó là mặt cầu, do đó trong các tính toán cần phải tính đến độ cong của mặt đất

Một thông số quan trọng của đường thông tin trong trường hợp này là khoảng cách tầm nhìn thẳng Khoảng cách này được xác định bởi độ dài của đoạn đường thẳng nối giữa anten phát, anten thu và tiếp tuyến với mặt đất, ký hiệu là r0 (hình 2.8 )

Hình 2.9 Mô hình truyền sóng trên mặt đất cầu

Quá trình truyền lan sóng trên mặt đất cầu tương tự như mặt đất phẳng Trường tại điểm thu

là kết quả giao thoa của hai tia: tia trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất Nếu qua điểm phản xạ của sóng trên mặt đất ta vẽ một mặt phẳng tiếp tuyến với mặt đất và tính chiều cao anten kể từ mặt đất phẳng ấy (gọi là chiều cao giả định) thì cường độ trường tại điểm thu sẽ tính theo công thức giao thoa như mặt đất phẳng nhưng cần thay chiều cao thưc ht và hr bằng chiều cao giả h'

t và hr' Công thức truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi anten đặt cao trên mặt đất cầu

sẽ là:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

r

r hCB

h h

=+

Tuy nhiên trong các công thức tính toán cường độ trường ta thấy chỉ có tích số độ cao thật của anten là ht và hr Do vậy để tính toán khi kể đến độ cong quả đất ta đưa vào hệ số bù m (m thường được xác định theo đồ thị), lúc đó

h h't 'r =mh ht r

Như vậy công thức truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi anten đặt cao trên mặt đất cầu sẽ là:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

độ trường tại điểm thu Như vậy việc cần thiết là phải xác định sự mấp mô của bề mặt Rõ ràng rằng bề mặt được coi là mấp mô ở một vài tần số và góc tới nào đó, nhưng khi các tham số này thay đổi thì bề mặt này lại có thể coi là bằng phẳng Để đánh giá độ mấp mô của mặt đất ta sử dụng tiêu chuẩn Rayleigh Hình 2.10a minh họa bề mặt thực và bề mặt này được lý tưởng trong hình 2.10b

Ta thấy rằng nếu độ cao h là nhỏ so với bước sóng thì sự sai lệch về pha cũng nhỏ và do

đó bề mặt được coi là bằng phẳng Thực tế sự sai lệch về pha chạy từ 0 đến π Khi Δϕ = π các tia phản xạ sẽ triệt tiêu nhau, trường tổng bằng 0 Khi góc sai pha Δϕ > π/2 thì sự phản xạ sóng có tính chất tán xạ Như vậy tiêu chuẩn Rayleigh nhận được từ

Nếu độ mấp mô của mặt đất thỏa mãn tiêu chuẩn Rayleigh thì có thể coi mặt đất là phẳng

Với tia tới trực tiếp ta phải xét đến vùng tham gia vào quá trình truyền lan sóng

2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU KHÔNG ĐỒNG NHẤT

2.5.1 Hệ số điện môi và chiết suất của tầng đối lưu

Tầng đối lưu là một môi trường không đồng nhất theo mọi phương, thể hiện ở các tham số của môi trường: nhiệt độ, độ ẩm và áp suất luôn thay đổi theo không gian và thời gian

Tính chất quan trọng của tầng đối lưu là nhiệt độ giảm theo độ cao, khoảng 60/km Nhiệt

độ trung bình ở giới hạn trên của tầng đối lưu trong các miền cực khoảng - 550C và ở miền nhiệt đới khoảng - 800C

Áp suất trung bình của khí quyển ở mặt đất là 1041 mbar (1 mbar = 1/1000 bar; 1bar có áp lực bằng 105 N/m2 ), ở độ cao 5 km trị số đó giảm đi gần một nửa còn 538 mbar Tới độ cao 11

km, áp suất trung bình là 225 mbar, lên đến độ cao 17 km là giới hạn trên của tầng đối lưu ở vùng nhiệt đới trị số của nó chỉ còn khoảng 90 mbar

Hơi nước trong tầng đối lưu là do sự bốc hơi nước từ đại dương, biển hay sông hồ, dưới tác dụng bức xạ của mặt trời Vì vậy tầng khí quyển ở đại dương ẩm hơn tầng khí quyển trên đất liền, lượng hơi nước giảm nhanh theo độ cao

thường, có tính chất sau: Ở mặt đất có áp suất P = 1013 mbar, nhiệt độ T = 150C, độ ẩm tương đối

60 % Mỗi khi chiều cao tăng 100 m thì áp suất giảm đi 12 mbar, nhiệt độ giảm đi 0,550C, độ ẩm tương đối được bảo toàn suốt độ cao Giới hạn trên của tầng đối lưu thường là 11 km

Hệ số điện môi của không khí vẫn được coi gần đúng bằng ε0 nhưng thực ra nó lớn hơn ε0 một chút và phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của không khí

n= ε = +ε − 1

1 2

Thực tế giá trị n chỉ lớn hơn 1 rất ít nên để sử dụng thuận tiện người tan thường dùng khái niệm chỉ số chiết suất để biểu thị chiết suất Chỉ số chiết suất được định nghĩa bằng

−

4.10dh

−

≈ −

2.5.2 Hiện tượng khúc xạ khí quyển

Tầng đối lưu không đồng nhất cho nên nếu có một tia sóng truyền đi không song song với mặt đất thì nó sẽ bị khúc xạ liên tiếp Kết quả là tia sóng bị uốn cong, hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ khí quyển Ta sẽ xác định bán kính cong của quỹ đạo sóng khi có khúc xạ khí quyển Khảo sát hai lớp khí quyển kề nhau có chiết suất khác nhau một lượng dn, và dh là bề dày của lớp khí quyển có chiết suất n + dn (hình 2.11)

Quỹ đạo sóng

Giả thiết ta bức xạ một tia sóng có góc tới ϕ đi xuyên qua khoảng dh tới lớp có chiết suất

n + dn với góc tới ϕ + dϕ Bán kính cong của tia sóng sẽ bằng:

d

=ϕ

Xét tam giác abc ta có

n = const

Hình 2.11 Mô tả các thông số tính bán kính cong của tia ó

Khai triển vế phải và bỏ qua các đại lượng nhỏ bậc hai ta có

dh > ) thì bán kính cong có giá trị âm, quỹ đạo sóng sẽ có bề lõm hướng lên trên (tia sóng bị uốn cong lên) và được gọi là khúc xạ âm Nếu chiết suất giảm theo độ cao

dh < ), bán kính cong có giá trị dương, quỹ đạo sóng sẽ có bề lõm quay xuống dưới và được gọi là khúc xạ dương Nếu chiết suất không thay đổi theo độ cao, tia sóng sẽ đi thẳng

2.5.3 Ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển khi truyền sóng trong tầm nhìn thẳng

Như đã đề cập ở phần trước, khi áp dụng công thức giao thoa, trường ở điểm thu phụ thuộc vào hiệu số hình học của đường đi giữa tia tơi trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất Hiện tượng khúc

xạ khí quyển làm cho tia sóng đi cong, do đó hiệu số hình học của tia tới trực tiếp và tia phản xạ

sẽ khác trong trường hợp sóng truyền trong khí quyển đồng nhất

Việc thay thế tia sóng thực và mặt đất thực bằng tia sóng đi thẳng và mặt đất tương đương phải thỏa mãn điều kiện: độ cong tương đối giữa mặt đất thực và tia sóng thực phải bằng độ cong tương đối giữa mặt đất tương đương và tia sóng đi thẳng Nghĩa là phải thỏa mãn phương trình:

=

−1

Bán kính

trái đất

Bán kính cong quỹ