Thiết kế mô hình thông tin vô tuyến chuyển tiếp sóng cực ngắn

Xác định cường độ trường tại điểm thu khi biết các thông số của máy phát và xác định điều kiện để thu được trường tốt nhất.

CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT CHUNG 3

1.1.Một số khái niệm cơ bản 3

1.1.1.Thông tin và hệ thống truyền tin 3

1.1.2.Truyền sóng vô tuyến điện và anten 5

1.1.2.1.Cơ sở truyền sóng vô tuyến điện 5

1.1.2.2.Truyền sóng trong dải sóng ngắn và cực ngắn 6

1.1.2.3.Anten 7

1.1.3.Tín hiệu 7

1.2.Khái niệm về sóng vô tuyến điện và phân dải sóng vô tuyến điện 8

1.2.1.Khái niệm 8

1.2.2.Phân dải sóng vô tuyến điện 9

1.2.3.Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu lý thuyết 11

1.3.Công thức truyền sóng lý tưởng 13

1.4.Các phương thức truyền sóng 14

1.4.1.Sóng đất 14

1.4.2.Sóng tầng đối lưu 15

1.4.3.Sóng tầng điện ly 15

1.4.4.Sóng vũ trụ 16

1.5.Nguyên lý Huyghen và miền Fresnel 16

1.5.1.Nguyên lý 16

1.5.2.Miền Fresnel 18

1.5.3.Khoảng hở Fresnel – Bài toán tính chiều cao anten 20

CHƯƠNG 2: NHỮNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN 23

2.1.Đặc điểm của mặt đất và phương pháp khảo sát 23

2.1.1.Các thông số điện của đất 23

2.1.2.Đặc điểm của mặt đất và phương pháp khảo sát 24

nhìn thẳng 26

2.2.2.Ảnh hưởng của mặt đất khi anten đặt cao 27

CHƯƠNG 3: TRUYỀN SÓNG 33

3.1.Truyền sóng trong tầng đối lưu 33

3.1.1.Cấu tạo và đặc tính của tầng đối lưu 33

3.1.1.1.Cấu tạo 33

3.1.1.2.Đặc tính tầng đối lưu 33

3.1.1.3.Hệ số điện môi trong tầng đối lưu.(ε’)ε’) 35

3.1.2.Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện. .36

3.1.3.Ảnh hưởng của hiện tượng pha đinh và biện pháp khắc phục 40

3.1.4.Ảnh hưởng của mưa đến quá trình truyền sóng 41

3.1.5.Ảnh hưởng của cự ly truyền sóng 42

3.1.6.Các dạng khúc xạ và các phương thức truyền sóng trong tầng đối lưu. .42

3.2.Truyền sóng trong tầng điện ly 45

3.2.1.Cấu tạo 45

3.2.2.Các nguyên nhân hình thành nên các lớp – Đặc điểm của các lớp trong tầng điện ly 50

3.2.2.1.Nguyên nhân: 50

3.2.2.2.Đặc điểm các lớp trong tầng điện ly 50

3.2.2.3.Đặc tính chung của lớp Es 52

3.2.3.Đặc điểm truyền sóng tầng điện ly Ảnh hưởng của tầng điện ly đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện 54

3.2.3.1.Đặc điểm truyền sóng tầng điện ly 54

3.2.3.2.Phương thức truyền sóng trời(ε’) sóng tầng điện ly ) 54

3.3.Truyền sóng của các dải sóng 57

3.3.1.Truyền sóng dài và sóng trung 57

3.3.2.Sóng ngắn 59

3.3.2.1.Những đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn 59

3.3.2.2.Tính toán đường truyền thông tin sóng ngắn 66

3.3.3.Sóng cực ngắn 69

3.3.3.1.Phân loại các trường hợp truyền sóng cực ngắn 69

3.3.3.2.Truyền sóng cực ngắn trong tầm nhìn thẳng 70

3.3.3.3.Truyền sóng cực ngắn trong miền đồi núi và thành phố 70

3.3.3.4.Sự truyền sóng cực ngắn đi xa do khúc xạ và khuếch tán trong tầng đối lưu 74

3.3.3.5.Sự truyền sóng điện ly của sóng ngắn 74

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÔNG TIN VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP SÓNG CỰC NGẮN 79

4.1.Tình hình chung 80

4.1.1.Thực trạng địa phương áp dụng mô hình 80

4.1.2.Các mô hình thông tin vô tuyến chọn lọc 83

4.1.2.1.Mô hình vô tuyến điểm – điểm 83

4.1.2.2.Mô hình vô tuyến điểm - đa điểm 83

4.1.2.3.Mô hình thông tin đa điểm (ε’) Thông tin chuyển tiếp) 85

4.1.3.Khảo sát thiết bị 85

4.1.3.1.Tần số công tác 85

4.1.3.2.Đặc tính kỹ thuật 85

4.1.3.3.Các tiêu chuẩn thông tin vô tuyến 86

4.1.4.Giới thiệu về thiết bị máy bộ đàm GM300 86

4.1.4.1.Giới thiệu 86

4.1.4.2.Những tính năng cơ bản 89

4.1.5.Cấu hình trạm GR500 (REPEATER STATION) 89

4.1.5.1.Thiết bị chọn lắp đặt 89

4.2.1.1.Yêu cầu: 94

4.2.1.2.Qui mô xây dựng mạng 94

4.2.2.Thiết kế trạm - Cấu hình trạm GR500( REPEATER STATION) 95

4.2.2.1.Thiết bị 95

4.2.2.2.Đặc tính kỹ thuật 95

4.2.2.3.Đặc tính cơ bản 96

4.2.3.Thiết kế cột anten 97

4.2.3.1.Chiều cao 97

4.2.3.2.Mặt bằng xây dựng: 98

4.2.3.3.Kết cấu cột 98

4.2.3.4.Hệ thống tiêu sét 99

CHƯƠNG 5: KHAI THÁC VÀ BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP 102

5.1.Khai thác nhân lực 102

5.1.1.Nhân lực quản lý 102

5.1.2.Nhân lực sử dụng hệ thống (cán bộ khai thác hệ thống) 103

5.1.2.1.Cán bộ kỹ thuật viễn thông 103

5.1.2.2.Cán bộ trực tiếp khai thác thiết bị 103

5.2.Khai thác thiết bị 104

5.3.Bảo dưỡng 106

5.3.1.Sử dụng pin cho máy bộ đàm 107

5.3.2.Bảo dưỡng thiết bị thu phát 109

5.3.3.Bảo dưỡng cột liên kết hệ thống 109

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI MỞ ĐẦU

š@š?š

Quá trình phân tích thiết kế một mô hình thông tin, ta phải tính toán đến khảnăng thực hiện khép kín một cuộc thông tin thành công, nhờ vào thiết bị đầu cuối,mỗi một kênh thông tin gồm các thiết bị thu phát đặt ở các đầu cuối, tin tức đượcmang đi nhờ vào sóng điện từ lan truyền trong môi trường vật lý trung gian và tathường gọi là môi trường truyền sóng Việc nghiên cứu thiết lập một kênh thông tinnhất là mô hình chuyển tiếp buộc ta phải quan tâm đến hai yếu tố chính cần nghiêncứu đó là các vấn đề về truyền sóng và thiết bị thông tin đầu cuối phù hợp

Đặt vấn đề nghiên cứu truyền sóng là tính đến khả năng phủ sóng của thiết bịdựa trên các tiêu chuẩn sản xuất mà tại đó, các yếu tố địa lý, các tác động môitrường truyền sóng như lớp khí quyển, mặt đất…sẽ có tác động lên sóng lan truyền

đó, đó là tác động làm giảm yếu biên độ của sóng và tác động làm méo dạng tínhiệu (ε’)nếu là tín hiệu tương tự) và gây lỗi đối với tín hiệu số, do nhiễu.Vì vậy, khinghiên cứu về truyền sóng chính là ta đang phải nghiên cứu những vấn đề chínhnhư sau:

- Xác định cường độ trường tại điểm thu khi biết các thông số của máy phát

và xác định điều kiện để thu được trường tốt nhất.

- Nghiên cứu sự phát sinh dạng méo tín hiệu gây lỗi trong quá trình truyền sóng và tìm biện pháp để làm giảm méo đến mức cực tiểu.

Tìm hiểu thiết bị đầu cuối sẽ giúp ta chọn được thiết bị phù hợp nhất mà tạiđịa bàn triển khai sẽ đáp ứng tốt nhất những yêu cầu đặt ra cho quá trình nghiên cứumột mô hình thông tin phù hợp thông qua thiết bị đã được chọn Tỉnh Ninh Bình làmột tỉnh thường xuyên phải gánh chịu thiên tai khắc nghiệt như bão, lũ Công tácchỉ huy, chỉ đạo phòng chống lụt bão, tìm kiếm cứu nạn diễn ra thường xuyên.Nghiên cứu mô hình thông tin chuyển tiếp, Em hy vọng phần nào giúp công tác chỉhuy phòng chống lụt bão, tìm kiếm cứu nạn được thuận lợi hơn, hạn chế thấp nhấthậu quả xấu do thiên tai gây ra

Với mục đích đó em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Thiết kế mô hìnhthông tin vô tuyến chuyển tiếp sóng cực ngắn”.Cuốn đồ án tốt nghiệp được hoànthành với nội dung chính gồm 5 chương:

Chương 1: Các vấn đề lý thuyết chung

Chương 2: Những ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện Chương 3: Truyền sóng

Chương 4: Thiết kế mô hình thông tin vô tuyến chuyển tiếp sóng cực ngắn Chương 5 : Khai thác và bảo dưỡng mô hình chuyển tiếp

Từ việc học đến việc sử dụng những kiến thức đó vào thực tiễn một cáchhiệu quả là cả một quá trình lâu dài và liên tục Việc ứng dụng kiến thức sao có hiệuquả trong công tác sau này chính là lòng biết ơn mà em mong muốn được gửi tớicác thầy, cô đã dày công chỉ bảo Đặc biệt em xin gửi lời cám ơn chân thành tới sự

hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Đình Luyện và sự hướng dẫn của Trung tá

Trần Mạnh Huế -phòng thông tin công an tỉnh Ninh Bình- đã cung cấp một số tàiliệu về công tác phòng chống bão lụt ở địa phương giúp em hoàn thành đồ án này.Cảm ơn bạn bè và người thân đã luôn ủng hộ và động viên em trong suốt thời gian

học tập tại trường Đại học Qui Nhơn.

Đề tài mà em báo cáo, đó chỉ là những hiểu biết ít ỏi được thu lượm từnhững bài giảng trên lớp, những chỉ bảo tận tình của thầy, cô Thông qua đề tài này,

em hi vọng trong thời gian sắp tới, với công tác thông tin em sẽ đạt được những kếtquả tốt nhất Tuy vậy, vì những kiến thức còn hạn chế, những khó khăn trong quátrình thực hiện đề tài và hơn nữa là thiếu kinh nghiệm thực tế nên không tránh khỏinhững sai sót, những hạn chế của cá nhân Do vậy, em mong muốn tiếp tục nhậnđược những chỉ bảo của thầy, cô để đề tài của em có tính thực tế hơn và giúp emngày càng hoàn thiện bản thân

Em xin chân thành cảm ơn!

Qui Nhơn, tháng 6 năm 2010

Sinh viên

Trần Thị Minh Hoa

CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT CHUNG

š@š?š

1.1.Một số khái niệm cơ bản.

Kể từ những năm 1970, sự thâm nhập lẫn nhau của hai lĩnh vực máy tính vàtruyền thông đã làm thay đổi sâu sắc các lĩnh vực công nghệ và sản xuất, và một kếtquả tất yếu là một ngành công nghiệp máy tính - truyền thông (ε’)Computer –Communication ) ra đời Chính nhờ sự hòa trộn mang tính cách mạng này, rất nhiềulĩnh vực khoa học công nghệ đã có những cơ sở để phát triển mạnh mẽ Trong bốicảnh của sự phát triển bùng nổ này, những hiểu biết về lý thuyết thông tin(ε’)Information Theory), về truyền thông ngày càng quan trọng và cần được xem xéttrong hoàn cảnh mới

1.1.1.Thông tin và hệ thống truyền tin.

Thông tin (ε’)tiếng Anh là “Information”, còn được gọi là tin tức) là vật liệuđầu tiên được gia công trong một hệ thống truyền tin Hiện nay chưa có một địnhnghĩa đầy đủ và súc tích cho khái niệm thông tin Chúng ta tạm sử dụng khái niệmsau làm định nghĩa về thông tin: Thông tin là sự cảm hiểu của con người về thế giớixung quanh (ε’)thông qua sự tiếp xúc với nó) Như vậy, thông tin là hiểu biết của conngười và càng tiếp xúc với môi trường xung quanh con người càng hiểu biết và làmtăng lượng thông tin thu nhận được

Phân loại thông tin

- Thông tin thoại

- Thông tin hình

- Thông tin báo

- Thông tin số liệu

- Thông tin điều khiển

Trong cuộc sống, con người luôn có nhu cầu trao đổi thông tin với nhau, cónghĩa là có nhu cầu truyền tin (ε’)Communication) với nhau Những thông tin khitruyền được mang dưới dạng năng lượng khác nhau như âm điện, sóng điện từ, sóng

mang (ε’)carrier) Nó là một quá trình vật lý cụ thể Vật mang đã chứa thông tin trong

nó là một đại diện của thông tin và nó được gọi là tín hiệu (ε’)Signal) Cho nên trướcđây khi khái niệm “thông tin” chưa được xác định cụ thể như hiện nay, người ta vẫnnghiên cứu định lượng các hệ thống truyền tin bằng cách tính toán và thực nghiệmtrên sự biến đổi năng lượng mang tin trong các hệ thống đó Trên quan điểm nănglượng, lý thuyết tín hiệu đã giải quyết những vấn đề tổng quát về phân tích và tổnghợp mạch và tín hiệu, và nhờ đó kỹ thuật truyền tin đã có những bước phát triển khádài

Nhưng cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mình, ngành kỹ thuật truyền tin

đã nảy sinh nhiều vấn đề mà những lý thuyết xây dựng trên quan điểm năng lượngkhông giải thích được trọn vẹn, như vấn đề mối liên hệ cơ bản giữa các hệ thốngtruyền tin sử dụng những năng lượng khác nhau, như vấn đề bảo tồn thông tin trongcác hệ thống thông tin vũ trụ trong đó năng lượng tải tin rất nhỏ bé, như vấn đề đảmbảo tốc độ truyền tin nhanh và chính xác trong các hệ thống truyền số liệu, như giacông thông tin trong các thiết bị tính toán điều khiển… Nói cách khác phải xâydựng những tiêu chuẩn chung để có thể đánh giá và so sánh các hệ thống truyền tin,giải quyết những vấn đề cơ bản của truyền tin là: tốc độ truyền tin và khả năngchống nhiễu của hệ thống, thiết lập những mô hình hệ thống truyền tin thực chỉ racác phương hướng cải tiến có hiệu quả

Những hệ thống truyền tin cụ thể mà con người đã sử dụng và khai thác córất nhiều dạng và khi phân loại chúng, người ta cũng có thể dựa trên nhiều cơ sởkhác nhau.Ví dụ trên cơ sở năng lượng mang tin người ta có thể phân hệ thốngtruyền tin thành các loại;

- Hệ thống điện tín dùng năng lượng điện một chiều

- Hệ thống thông tin vô tuyến điện dùng năng lượng sóng điện từ

- Hệ thống thông tin quang năng (ε’)hệ thống báo hiệu, thông tin hồng ngoại,laser, cáp quang…)

- Hệ thống thông tin dùng sóng âm, siêu âm, năng lượng cơ học…

Chúng ta cũng có thể phân loại hệ thống thông tin dựa trên cơ sở biểu hiệnbên ngoài của thông tin như:

- Hệ thống truyền số liệu

- Hệ thống truyền hình

- Hệ thống thông tin thoại…

Những phương pháp phân loại trên dưa theo nhu cầu kỹ thuật, giúp cán bộ

kỹ thuật nhận thức vấn đề một cách cụ thể và tìm hiểu khai thác các loại hệ thốngđược dễ dàng Sự phân loại như vậy đã được ứng dụng rộng rãi và gần như thốngnhất trong các tài liệu và sách kỹ thuật Nhưng ở đây, để đảm bảo tính logic của vấn

đề được trình bày, chúng ta căn cứ vào đặc điểm cuả thông tin dựa vào kênh đểphân loại các hệ thống truyền tin và như vậy chúng ta phân làm hai loại hệ thốngtruyền tin:

- Hệ thống truyền tin rời rạc

- Hệ thống truyền tin liên tục

Sơ đồ khối chức năng của hệ thống truyền tin :

IS (ε’)Information Soucer) : Nguồn tin

ID(ε’)Information Destination): Điểm nhận tin

Ch (ε’)Channel): kênh tin

1.1.2.Truyền sóng vô tuyến điện và anten.

1.1.2.1.Cơ sở truyền sóng vô tuyến điện.

Sóng vô tuyến điện là sóng điện từ truyền lan trong không gian và mang tin tức.Sóng vô tuyến điện có tần số nằm trong khoảng 3.103 ÷ 1016Hz

Nghiên cứu truyền sóng vô tuyến điện tức là tính cường độ trường tại một điểmnào đấy khi biết được công suất của máy phát, tần số công tác, cự li và độ cao của

ID

anten, thiết lập được một tuyến thông tin vô tuyến điện khi đã có cự li và tần sốcông tác.

Sóng vô tuyến điện khi truyền lan trong không gian ở các đoạn tần số khác nhautruyền theo các phương thức khác nhau, có nghĩa là đường đi khác nhau dẫn đếntrường dẫn điện đến điểm khảo sát khác nhau

Theo phân loại trước đây, những sóng điện từ nằm trong dải tần số có giớihạn dưới là f = 103Hz (ε’)tương ứng với bước sóng λ = 300Km) và giới hạn trên f =

1012Hz (ε’)tương ứng với bước sóng λ = 0,3mm) đều gọi là sóng vô tuyến hay sóngradio Nhưng trong nghiên cứu thông tin vô tuyến thì nên phân theo phương thứctruyền lan của sóng Có các dải sóng chính như sau:

1.1.2.2.Truyền sóng trong dải sóng ngắn và cực ngắn.

Sóng ngắn được sử dụng nhiều trong thông tin Trong lĩnh vực viễn thônghiện nay thông tin sóng ngắn là hệ thông thông tin dự phòng T3 của quốc gia (ε’)cápquang – vi ba sóng ngắn)

- Bước sóng: 100m > λ > 10m (ε’) 3MHz < f < 30 MHz)

- Truyền lan: bằng sóng đất, sóng điện ly Nhờ có truyền lan bằng sóng tầngđiện ly nên có khả năng truyền lan được xa khi công suất máy phát bé

- Giới hạn của dải tần số công tác:

+ Ban ngày: bước sóng 10m đến 35m

+ Ban đêm: bước sóng 35m đến 100m

Sóng cực ngắn truyền lan trong tầm nhìn thẳng (ε’)anten phát và anten thu nhìnthấy nhau) Tín hiệu thu được ổn định, độ tin cậy cao, cự li thông tin gần Hầu hếttrong lĩnh vực thông tin đều nằm trong dải sóng cực ngắn (ε’)phát thanh FM, truyềnhình, hệ thống rada, vi ba…)

do trong không gian thành sóng điện từ ràng buộc để đưa đầu vào thiết bị thu Yêucầu đặt ra là làm thế nào để sau khi biến đổi tín hiệu không bị méo dạng.

Phân loại anten: phụ thuộc vào phương pháp phân loại mà chia thành nhiềuloại khác nhau như sau:

- Phân loại theo dải tần công tác có: anten sóng trung, anten sóng ngắn, antensóng cực ngắn

- Phân loại theo kết cấu: anten dây, anten chấn tử, anten bức xạ mặt…

- Phân loại theo sử dụng: anten phát thanh, truyền hình, rađa, viba, vệ tinh…

1.1.3.Tín hiệu.

Tín hiệu là dạng vật lý của thông tin, tín hiệu có thể là không khí, âm thanh Hoặc tín hiệu là một dạng vật chất có một đại lượng vật lý biến đổi theo quy luậttuyến tính

- Tín hiệu âm thanh: là sự thay đổi của áp suất không khí đưa thông tin đến taichúng ta

- Tín hiệu hình ảnh: là sự thay đổi cường độ ánh sáng đưa thông tin đến mắtchúng ta

Có hai loại tín hiệu tổng quát:

- Tín hiệu liên tục: nếu một tín hiệu có sự biểu diễn toán học có biến liên tụctheo thời gian thì tín hiệu đó là tín hiệu liên tục theo thời gian Liên tục ở đây là liêntục theo biến số Nếu xét về hàm số thì có hai loại tín hiệu:

+ Tín hiệu tương tự: nếu hàm của tín hiệu liên tục lấy các giá trị liên tục thì

tín hiệu đó gọi là tín hiệu tương tự (ε’)liên tục theo thời gian của cả biến số và hàm số)

+ Tín hiệu lượng tử: nếu hàm của tín hiệu rời rạc lấy các giá trị rời rạc thì tínhiệu đó gọi là tín hiệu lượng tử

- Tín hiệu rời rạc: nếu tín hiệu được biểu diễn bởi hàm của các biến rời rạc thìtín hiệu đó còn gọi là tín hiệu rời rạc Rời rạc ở đây là rời rạc theo biến số Nếu xéthàm số thì ta có hai loại tín hiệu:

+ Tín hiệu lấy mẫu: nếu hàm của tín hiệu rời rạc lấy các giá trị liên tục thì tínhiệu đó gọi là tín hiệu lấy mẫu

+ Tín hiệu số: nếu hàm của tín hiệu rời rạc lấy các giá trị rời rạc thì tín hiệu

đó gọi là tín hiệu số

1.2.Khái niệm về sóng vô tuyến điện và phân dải sóng vô tuyến điện

1.2.1.Khái niệm.

Các sóng vô tuyến điện (ε’)VTĐ) dùng trong kỹ thuật thông tin, tia hồng ngoại

mà chúng ta cảm nhận được hiệu ứng nhiệt trên da hoặc ánh sáng thấy được từ màutím đến màu đỏ, hay tia tử ngoại, tia X, tia Gama phát từ các chất phóng xạ…đều lànhững sóng có tần số khác nhau của bức xạ từ Bức xạ điện từ còn gọi là sóng điện

từ, nó có thể chuyển đổi lẫn nhau trong không gian truyền dẫn từ dạng điện trườngsang dạng từ trường và ngược lại

Sóng điện từ lan truyền trong không gian với vận tốc 3.108 m/s

Nếu gọi c là vận tốc truyền sóng

1.2.2.Phân dải sóng vô tuyến điện.

Trong các tài liệu khác nhau thì phân dải sóng vô tuyến điện khác nhau.Theo phân loại trước đây, những sóng điện từ nằm trong dải tần số có giới hạn dưới

là f = 103Hz (ε’)tương ứng với bước sóng λ = 300Km) và giới hạn trên f = 1012Hz(ε’)tương ứng với bước sóng λ = 0,3mm) đều gọi là sóng vô tuyến hay sóng radio.Nhưng trong nghiên cứu thông tin vô tuyến thì nên phân theo phương thức truyềnlan của sóng Có các dải sóng chính :

- Dải sóng trung : truyền lan được cả sóng bề mặt và cả sóng tầng điện li (ε’)sóngtrời) Đặc điểm sóng tầng điện li chỉ truyền lan được vào ban đêm, ban ngày tầngđiện li hấp thụ Sóng trung hiện nay chỉ khai thác ở phát AM quảng bá

- Dải sóng ngắn : mặt đất là môi trường bán dẫn điện nên hệ số suy hao α =

2



 lớn, truyền lan sóng bề mặt, đi được cự li gần nên truyền lan chủ yếu làtruyền sóng tầng điện li (ε’)sóng trời) Nhờ có truyền lan sóng tầng điện li nên có khảnăng truyền lan được xa khi công suất máy phát bé Sóng ngắn được sử dụng nhiềutrong thông tin Trong lĩnh vực viễn thông hiện nay thông tin sóng ngắn là hệ thốngthông tin dự phòng T3 của quốc gia (ε’)cáp quang – viba – sóng ngắn)

- Dải sóng cực ngắn : truyền lan trong tầm nhìn thẳng (ε’)anten phát và thu nhìnthấy nhau) Ưu điểm : tín hiệu thu được ổn định, độ tin cậy cao, cự li thông tin gần

Hầu hết các lĩnh vực thông tin đều nằm ở dải sóng cực ngắn (ε’)phát thanh FM, truyềnhình, hệ thống ra đa vi ba, di động….)

Việc sử dụng những sóng ngắn nằm ngoài dải tần số phân theo băng sóngngười ta gọi trực tiếp tên theo bước sóng hay tần số của nó

Ví dụ : thiết bị làm việc ở dải sóng µm ; nm (ε’)10-6 →10-9)

Dải cực ngắn còn được gọi là dải siêu cao (ε’)viba)

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ,đặc biệt là một số lĩnh vự công nghệ mới đã sử dụng những sóng điện từ có tần sốvượt quá giới hạn của dải tần đã nêu ở trên Do đó khái niệm về giới hạn của dải tần

vô tuyến điện cũng cần được mở rộng hơn

Ngày nay, sóng vô tuyến điện được coi là những sóng điện từ có giới hạndưới của dải tần số xuống tới 3.10-3 Hz (ε’)sóng miliHec), tương ứng với bước sóng

1011 m và gới hạn trên lên tới 1016 Hz, ứng với bước sóng 3.10-8 (ε’)sóng ánh sáng)

Mỗi băng sóng có đặc điểm truyền lan riêng Tuy nhiên giữa hai băng sónggần nhau thì sự biến đổi đặc tính truyền lan của chúng thường là không rõ rệt.Trong môi trường đồng nhất, sóng truyền lan với vận tốc không đổi

Sự phân loại như trên là thích hợp cho việc nghiên cứu về sóng Tuy nhiên

để thuận tiện cho việc phân định tần số sử dụng cho các lĩnh vực hoạt động khácnhau, người ta chia nhỏ hơn 5 băng sóng trên thành 11 tần số, lấy khoảng từ 30 ÷

300 GHz, tên các băng tần, phạm vi tần số và lĩnh vực cụ thể theo bảng (ε’)1.1) sau :

Bảng 1.1: Bảng phân băng tần số vô tuyến

Tên băng tần Tên viết tắt Phạm vi tần số Lĩnh vực sử dụng

động trên biểnTần số thấp LF 30 →300KHz Vô tuyến đạo hàng thông tin di

động trên khôngTần số trung bình MF 300→ 3000KHz Phát thanh, thông tin hàng hải,

vô tuyến đạo hàng

Phát thanh sóng ngắn, thông tin

di động các loại, thông tin quốctế

Tần số rất cao VHF 30 →300MHz Truyền hình và phát thanh sóng

FMTần số cực cao UHF 300 →3000MHz Truyền hình các loại thông tin di

động, các loại thông tin cố định

Thông tin vệ tinh ra đa, viễnthông công cộng, vô tuyến thiênvăn

Tần số vô cùng

Vô tuyến thiên văn, ra đa sóngmilimet, thông tin vệ tinh nghiêncứu và thí nghiệm

Dưới milimet Sub milimet 300 →3000GHz Nghiên cứu và thí nghiệm

1.2.3.Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu lý thuyết

Tìm hiểu việc truyền sóng chính là chúng ta phải khảo sát về sự lan truyền tự

do của sóng điện từ ở dải tần số vô tuyến điện Nhờ các sóng này mà ta có thể thiếtlập các kênh thông tin vô tuyến với các cự ly thông tin rất lớn, không kể là trên mặtđất hay trong khoảng không vũ trụ Mỗi kênh thông tin gồm có các thiết bị thu phátđặt ở các trạm đầu cuối, tin tức mang đi nhờ sóng điện từ lan truyền trong môi

trường truyền sóng hay nói cách khác là việc thực hiện khép kín một kênh thông tinphải có môi trường truyền sóng Chính vì vậy, môi trường truyền sóng chính là một

bộ phận của kênh thông tin

Để đảm bảo chất lượng một kênh thông tin vô tuyến chúng ta phải đặc biệtquan tâm đến môi trường truyền sóng và khả năng đáp ứng của thiết bị đầu cuối mộtcách hợp lý nhất cho yêu cầu đặt ra, hay nói cách khác là ta phải lựa chọn thiết bịsao cho phù hợp về công suất phát, tần số làm việc sao cho phù hợp phương thứctruyền sóng đúng đắn nhất mới có hiệu quả

Môi trường truyền sóng vô tuyến như lớp khí quyển, mặt đất sẽ có hai tácđộng lên sóng lan truyền trên đó Tác động thứ nhất là làm giảm biên độ của sóng;tác động thứ hai là làm méo dạng tín hiệu (ε’)nếu là tín hiệu tương tự) và gây lỗi đốivới tín hiệu dạng số do nhiễu Vì vậy, khi nghiên cứu truyền sóng vô tuyến ta sẽ tậptrung vào hai nhiệm vụ cụ thể như sau:

- Xác định cường độ trường tại đểm thu khi biết các thông số của máy phát vàxác định điều kiện để thu được cường độ trường lớn nhất

- Nghiên cứu sự phát sinh dạng méo tín hiệu hoặc gây lỗi trong quá trìnhtruyền sóng và tìm biện pháp để làm giảm thiểu các lỗi đó

Ở đây vấn đề giảm yếu của sóng trong quá trình truyền lan bao gồm sự giảmyếu cường độ trường do bị sự phân tán tất yếu của năng lượng khi bức xạ và truyềnlan, sự giảm yếu do sự hấp thụ của môi trường, giảm yếu khi sóng nhiễu xạ quanhcác vật thể gặp phải trên đường truyền lan, hoặc bởi vật cản, sự khuếch tán các vậtthể trong môi trường …

Vấn đề trước hết ta khảo sát tác dụng làm giảm yếu trường do sự phân tán tấtyếu của năng lượng khi bức xạ truyền lan Tìm ra phương thức truyền sóng tốt nhất(ε’)tín hiệu ảnh hưởng, đảm bảo sự trung thực và biên độ cho phía thu)

1.3.Công thức truyền sóng lý tưởng.

Giả sử chúng ta có một không gian đồng nhất rộng vô hạn, trong khoảngkhông gian đó, chúng ta đặt một nguồn bức xạ đẳng hướng (ε’)là một anten chuẩn bứcxạ năng lượng sóng điện từ về mọi phía là như nhau).

P là công suất phát của nguồn (ε’)w)

Nhiệm vụ của bài toán đặt ra là phải tính được giá trị trường ở một điểm thu



(ε’)W/m2) (ε’)1.1)

Hình 1.1: Mật độ công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích

Nếu biểu thị cường độ bằng vol/met (ε’)V/m) còn từ trường bằng ampe/met (ε’)A/m) thì ta sẽ có :

S = Eh Hh (ε’)W/m) (ε’)1.2)

Eh và Hh là giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường và từ trường

Các đại lượng này quan hệ nhau bằng hệ thức :

H = E/ Zo (ε’)A/m) (ε’)1.3)

Zo là trở kháng sóng của môi trường

Đối với môi trường là không khí thì :

P : công suất máy phát (ε’)Kw)

D : hệ số định hướng của anten (ε’)lần)

r : khoảng cách từ anten phát đến điểm xác định E (ε’)Km)

Nhưng ta biết hiện tượng nhiễu xạ chỉ xảy ra rõ rệt đối với những trường hợpkhi kích thước của vật chướng ngại có thể so sánh được với bước sóng Vì vậy, chỉnhững sóng dài hoặc cực dài có bước sóng hàng trăm hoặc hàng nghìn mét thì mớithỏa mãn điều kiện nhiễu xạ quanh mặt đất và dễ dàng phát sinh hiện tượng này

Tuy nhiên, cần chú ý rằng sự nhiễu xạ của sóng chỉ có thể xảy ra trên mộtphần mặt cong của trái đất và cả trong những điều kiện thuận lợi nhất (ε’)bước sóngdài nhất) sóng nhiễu xạ cũng không thể truyền lan vượt quá cự ly 300 - 400 km

Có các phương thức truyền sóng như sau :

1.4.1.Sóng đất.

Khi sóng truyền lan gần mặt đất, sóng thường bị nhiễu xạ do cấu trúc vật lýcủa bề mặt trái đất Sự có mặt của mặt đất bán dẫn điện, một mặt gây phản xạ sóng,mặt khác nó lại hấp thụ sóng, làm biến dạng cấu trúc của sóng,mặt khác bề mặt tráiđất là một mặt cầu có cấu trúc địa lý gồ ghề, nhiều chướng ngại cho sự truyền lancủa sóng

Những sóng vô tuyến điện truyền lan ở gần mặt đất theo đường thẳng hoặc

bị phản xạ từ mặt đất, hoặc bị uốn cong đi theo độ cong mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ gọi là sóng đất.

1.4.2.Sóng tầng đối lưu.

Tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp, có độ cao khoảng 10 đến 15km tính từ

bề mặt trái đất Đây là môi trường không đồng nhất, tính không đồng nhất của tầngđối lưu có nhiều dạng Một dạng gây ra sự uốn cong quĩ đạo của tia sóng khi truyềntrong đó và tạo khả năng để sóng có thể truyền đi xa trên mặt đất cong Một dạngkhông đồng nhất khác gây ra sự khuếch tán sóng và những sóng khuếch tán đó cóthể đạt tới khoảng cách 1000km kể từ mặt đất

Ảnh hưởng của hiện tượng khuếch tán chỉ biểu hiện rõ ở những sóng ngắnhơn 10m

Ảnh hưởng của sự uốn cong quĩ đạo sóng do tầng đối lưu biểu hiện ở nhữngsóng có bước sóng dài hơn

Ngoài ra, trong một số trường hợp, với điều kiện khí tượng thích hợp thì tầngđối lưu lại truyền sóng theo kiểu “ ống sóng” và tại đó nó cho phép những sóng cóbước sóng ngắn hơn (ε’)khoảng λ = 3m) truyền lan xa tới những cự ly 800 đến1000km

Những sóng vô tuyến điện truyền đi tới các cự ly xa trên bề mặt đất do khuếch tán trong tầng đối lưu hoăc do tác dụng của “ống dẫn sóng” của tầng đối lưu được gọi là sóng tầng đối lưu.

1.4.3.Sóng tầng điện ly.

Tầng điện ly là miền khí quyển có độ cao từ 60 đến 600km bao quanh tráiđất Do tầng khí quyển ngoài cùng nên tầng điện ly chịu ảnh hưởng trực tiếp củabức xạ năng lượng mặt trời, của các hạt vũ trụ và các tác động khác làm cho khíquyển bị ion hóa, tạo nên một số lớn điện tử tự do (ε’) khoảng 102 →106 điện tử trongmột cm3) Đối với sóng vô tuyến điện thì tầng điện ly có thể xem là môi trường bándẫn điện và sóng có thể phản xạ từ đó

Qua tính toán và thực nghiệm cho thấy rằng tầng điện ly chỉ có thể phản xạđược những sóng có bước sóng dài hơn 10m, với những sóng có bước sóng ngắnhơn thì tầng điện ly được coi là môi trường “trong suốt” Do được phản xạ một haynhiều lần mà sóng có thể truyền đi được tới những cự ly rất xa Bên cạnh khả năngphản xạ sóng vô tuyến điện, do tầng điện ly có các miền không đồng nhất, nó cókhả năng khuếch tán các sóng khi truyền tới Vì vậy, những sóng có tần số rất cao

có thể không phản xạ được ở tầng điện ly, nhưng do khuếch tán ở các lớp ion hóa

nó vẫn có thể truyền tới những cự ly rất xa

Những sóng vô tuyến điện truyền tới những cự ly xa do phản xạ( một hoặc nhiều lần) hoặc do khuếch tán từ tầng điện ly được gọi là sóng tầng điện ly.

1.4.4.Sóng vũ trụ.

Những sóng vô tuyến điện truyền lan giữa các trạm mặt đất và các vệ tinhbay quanh trái đất, hoặc với các con tàu trong khoảng không vũ trụ là những sóngkhông bị tầng điện ly cản trở bởi các hiệu ứng phản xạ, hoặc khuếch tán Trong quátrình truyền lan, nó chỉ bị hấp thụ qua các vật cản như các đám mây mưa Tần sốcàng cao sự suy giảm càng lớn, hay các đám mưa càng lớn thì sự suy hao càngnhiều

Những sóng truyền lan trực tiếp ( sóng thẳng) giữa mặt đất và các đối tượng khác ngoài vũ trụ được gọi là sóng vũ trụ.

Chỉ những sóng có tần số cao từ 1GHz trở kên mới thích hợp với điều kiệntruyền lan của sóng vũ trụ

1.5.Nguyên lý Huyghen và miền Fresnel.

1.5.1.Nguyên lý.

Để hiểu rõ một số đặc điểm truyền lan của sóng trên mặt đất cần biết nhữngkhái niệm về miền Fresnel Việc biểu thị miền Fresnel lại dựa trên nguyên lýHuyghen

Ta coi mỗi mặt sóng bất kỳ bao quanh nguồn thực là tập hợp của vô sốnguồn bức xạ thứ cấp (ε’)hay nguyên tố Huyghen), mỗi năng lượng bức xạ thứ cấp

này lại tạo ra những mặt sóng mới Trường nhận được ở điểm thu là kết quả giaothoa của những mặt sóng mới.

Hình 1.2: Sự giao thoa của các mặt sóng

Theo nguyên lý Huyghen, người ta có thể tính được giá trị trường ở điểm thubất kỳ trong không gian khi đã biết được trường trên một bề mặt nào đó

Giả sử nguồn của sóng sơ cấp đặt ở điểm A (ε’) Hình 1.3) , kí hiệu S chỉ mộtmặt kín bao quanh A M là một điểm bất kỳ nằm ngoài mặt kín Giả sử ta đã có cáctrị số đã biết của trường trên mặt S Đặt Ψ là kí hiệu của thành phần trường tại M

Ψs là trị số của thành phần ấy trên S Khoảng cách từ S→M là r

Hình 1.3: Trường ở điểm thu bất kỳ trong không gian

Theo nguyên lý Huyghen, trường thứ cấp tạo ra bởi một số nguyên tố bề mặttại điểm dS tại điểm M sẽ tỷ lệ với diện tích của mặt nguyên tố Qua nghiên cứutính toán người ta đã tìm được công thức áp dụng cho trường hợp mặt S là một mặt

có hình dạng bất kỳ Công thức Huyghen có dạng tổng quát như sau:

M

A X

M

1.5.2.Miền Fresnel.

Giả sử có một đài phát tại A với bước sóng làm việc là λ Để khảo sát ta vẽmột mặt cầu tâm A, bán kính l1 Từ điểm thu M hạ một họ đường thẳng l cắt mặtcầu một đường tròn f1

Tiếp theo đó hạ một họ đường thẳng nữa có độ dài là l2 + 2 λ/2 Họ đườngthẳng này lại cắt mặt cầu theo một đường tròn nữa f2 Tiếp tục như vậy, với độ dàiđoạn thẳng hạ xuống mặt cầu (ε’) từ M) có độ dài là :

Năng lượng trường phát ra từ A đến M theo nguyên lý Huyghen sẽ bằngnăng lượng trường tạo bởi tất cảcác miền Fresnel thứ nhất, thứ hai…., thứ n đưa đếnđiểm thu M.

Qua nghiên cứu người ta thấy các miền Fresnel có đặc điểm: hai miền kề nhau có khoảng cách thu chênh nhau 0,5λ thì trường do chúng tạo ra ngược pha nhau, do vậy chúng triệt tiêu nhau.

Như vậy người ta tính toán được rằng năng lượng thực sự đưa đến điểm thu

M chỉ tương đương với năng lượng do nửa miền Fresnel thứ nhất tạo ra

Do vậy, ta phải xác định được bán kính miền Fresnel này Để thuận tiện tachọn bề mặt để lập miền Fresnel là mặt phẳng So, mặt phẳng này vuông góc với

n n

b NnM l b l

Giả sử mặt phẳng So dịch chuyển theo đường lan truyền từ A →M Giới hạndịch chuyển sẽ vẽ nên quĩ tích cho một mặt phẳng ellipsoit.

Hình 1.6:Hình Elipsoit với tiêu điểm A và M

Vùng không gian được vạch là khoảng không gian quan trọng mà ta phảinghiên cứu tính toán trong quá trình thiết lập một kênh thông tin

1.5.3.Khoảng hở Fresnel – Bài toán tính chiều cao anten.

Theo nghiên cứu ở trên, vùng không gian quan trọng nhất đối với truyềnsóng trực tiếp trong tầm nhìn thằng là nửa miền Elipsoit tròn xoay Nhận hai điểmthu – phát (ε’) A và M ) làm tiêu điểm

Bán kính của hai tiêu điểm được xác định theo công thức :

Qua nghiên cứu tính toán người ta đã có công thức tính toán khoảng hở

Fresnel (ε’)khoảng hở đường truyền ∆h) ∆h ≥ 0,6F1

F1 : khoảng hở Fresnel

Khoảng hở Fresnel là vô cùng quan trọng trong việc tính toán đường truyền trên địa bàn.

Bài toán ví dụ : tính chiều cao tối thiểu của anten thu đặt tại Công an huyện

Nho Quan, trên đường truyền cực ngắn Ninh Bình – Nho Quan (ε’)cự ly 30km đườngchim bay) Khi biết anten phát tại Ninh Bình có chiều cao là 60m Thiết bị sử dụng

là máy bộ đàm Motorola có tần số công tác là 450MHz Vật cản trên đường truyền

là dãy núi Hoa Lư có chiều cao 120m nằm cách Nho Quan 5km

Bài toán đặt ra cho ta thấy, chiều cao anten đặt tại Nho Quan phải đảm bảo

điều kiện của khoảng hở Fresnel cho phép là ∆h1 = 0,6F1 Như vậy ta phải tính F1

Theo hình vẽ mô phỏng cho thấy tại vị trí vật cản cách Ninh Bình 25km thìchiều cao h1 chính bằng vật cản và khoảng hở cộng lại.

120 + 31,6 = 151,6 (ε’)m)Vậy tại Nho Quan (ε’)cách Ninh Bình 30km) thì chiều cao anten sẽ là :

Trong bài toán trên các thống số về chiều cao anten, tần số công tác của thiết

bị là có thật, chiều cao của vật cản là ví dụ Trong thực tế thì dãy núi này còn caohơn rất nhiều Với kết quả bài toán trên cho thấy việc xây dựng một cột anten đảmbảo cho đường truyền thẳng vô tuyến sóng cựa ngắn là không khả thi Do vậy chỉ cóthể thông tin thông suốt bằng phương pháp khác hoặc phải thiết kế một đườngtruyền chuyển tiếp vô tuyến sóng cực ngắn mới đảm bảo được thông tin trên

Kết luận chương: Trong bối cảnh của sự phát triển bùng nổ khoa học công

nghệ như hiện nay, những hiểu biết về lý thuyết thông tin, về truyền thông ngàycàng quan trọng và cần được xem xét trong hoàn cảnh mới Chương này khái quátmột số khái niệm cơ bản, những vấn đề cơ bản về lý thuyết truyền sóng Bắt đầu từchương này chúng ta sẽ khảo sát về sự truyền lan của sóng điện từ ở dải sóng vôtuyến điện Nhờ các sóng này mà ta có thể thiết lập các kênh thông tin vô tuyến vớicác cự li thông tin rất lớn, không kể là trên mặt đất hay trong khoảng không vũ trụ

Để hiểu rõ việc truyền lan của sóng trên mặt đất cần phải biết những khái niệm vềmiền Fresnel Việc biểu thị miền Fresnel lại dựa trên nguyên lý Huyghen Vì vậy ởđây sẽ nhắc lại một số khái niệm cơ bản xung quanh vấn đề này Ngoài ra còn phảichú ý đến khoảng hở Fresnel vì khoảng hở Fresnel là vô cùng quan trọng trong việctính toán đường truyền trên địa bàn

CHƯƠNG 2: NHỮNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG

VÔ TUYẾN ĐIỆN.

š@š?š

2.1.Đặc điểm của mặt đất và phương pháp khảo sát.

2.1.1.Các thông số điện của đất.

Khi nghiên cứu đặc điểm truyền lan của sóng đất, thường các điều kiện thựccủa mặt đất sẽ không được giữ lại nguyên vẹn mà nó được lý tưởng hóa đi.Nhữngvấn đề được lý tưởng hóa là :

a.Thay thế mặt đất thực và lồi lõm bằng mặt đất bằng phẳng tưởng tượng có

hằng số điện môi và điện dẫn suất giống như mặt đất thực

Vấn đề xác định tính chất lồi lõm của mặt đất chỉ là tương đối so với bướcsóng Đối với sóng dài có bước sóng hàng nghìn mét hay hàng chục nghìn mét, tất

cả các địa hình mặt đất trừ miền núi cao còn lại đều có thể xem là bằng phẳng hoàntoàn Ngược lại, đối với các sóng thuộc dải sóng decimet và centimet thì chỉ với cáclồi lõm nhỏ (ε’)gợn sóng trên mặt biển, cây cỏ ở cánh đồng v.v…) mặt đất cũng trởthành không bằng phằng

b.Bỏ qua sự biến đổi liên tục của chất đất trên đường truyền lan.

Trong thực tế, giữa hai miền có chất đất khác nhau, các thông số của mặt đấtthường biến đổi một cách từ từ, liên tục Nhưng khi tính toán, để đơn giản, khôngthể tính đến sự biến đổi liên tục ấy mà phải xem như các thông số cảu đất biến đổimột cách đột biến

c.Bỏ qua sự biến đổi của chất đất theo chiều sâu.

Đối với mặt đất thực, càng xuống sâu dưới mặt đất thì độ dẫn điện càng tăng

do ở dưới sâu độ ẩm của đất cao hơn hoặc có nhiều mạch nước ngầm Nhưng trongtính toán, để đơn giản ta bỏ qua đặc điểm này

d.Mặt đất thực tế thường cũng không đồng nhất Vì vậy khi tính toán, người

ta còn thay thế mặt đất thực không đồng nhất bằng mặt đất đồng nhất tưởng tượng(ε’)có tham số tương đương như thế nào để nó gây ra tổn hao cũng giống như đối với

Khi thực hiện đơn giản hóa ở điểm thứ nhất, cần lưu ý thêm đến địa hìnhphức tạp của mặt đất Nếu mặt đất gồm những địa hình có các lồi lõm nhỏ, ta có thểthay thế trực tiếp mặt đất lồi lõm bằng mặt đất bằng phẳng cùng với thông số điện.Trường hợp mặt đất gồm những địa hình có các lồi lõm đáng kể, khi thay thế bằngmặt đất phẳng cần đưa vào các thông số tương đương Thông số tương đương đượcchọn sao cho giữa mặt đất thực và mặt đất bằng phẳng có sự hấp thụ giống nhau.

Bảng 2.1 cho ta thông số tương đương của một số loại mặt đất khác nhau đốivới dải sóng trung

Bảng 2.1: Thông số tương đương của một số loại mặt đất

Loại mặt đất Giới hạn biến đổi Trị số trung bình

2.1.2.Đặc điểm của mặt đất và phương pháp khảo sát.

a.Khi nghiên cứu việc truyền sóng vô tuyến điện, mặt đất thường có tác động

rất lớn đến quá trình truyền sóng Do vậy, ta phải tìm hiểu những đặc điểm của mặtđất, từ đó có phương pháp nghiên cứu

Như ta đã biết cấu trúc địa lý của mặt đất rất phức tạp, mặt đất thực tế khôngbằng phẳng, song khi tính toán ta phải lý tưởng hóa đi Ta coi mặt đất là bằng phẳng

và có thông số điện tương đương (ε’) độ dẫn điện ; hằng số điện môi, hệ số từ thẩmξεμ

b.Mặt đất không đồng nhất, nhưng ta xem nó như đồng nhất khi khảo sát với

các thông số điện tương đương

c.Mặt đất thay đổi liên tục theo khoảng cách đường truyền và theo độ sâu.

Khi khảo sát ta vẫn coi là các thông số tương đối ổn định với các thông số điệntương đương

Vậy khi khảo sát ta phân vùng một cách tương đối ổn định theo địa hình :đồng bằng, sa mạc, rừng, núi, biển.

2.1.3.Các trường hợp truyền lan sóng đất.

Mặt đất thực tế rất phức tạp Ngoài sự phức tạp về cấu tạo chất đất còn có sựphức tạp về địa hình lồi lõm, về hình dạng, nghĩa là về việc đánh giá mặt đất là mặtphẳng hoặc mặt cầu v.v…

Do tính chất phức tạp ấy, ta không thể tiến hành khảo sát một cách tổng quátbài toán về sự truyền lan sóng đất, tìm ra lời giải chung nhất mà phải tiến hành khảosát những trường hợp riêng Cách khảo sát này một mặt là đơn giản nhất, mặt khác

nó cũng có ý nghĩa thực tế nhất định

Khi cự ly truyền sóng không lớn lắm, ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của độcong mặt đất, coi mặt đất là mặt phẳng và khảo sát sự truyền sóng trên mặt đấtphẳng bán dẫn điện

Trường hợp truyền sóng trên mặt đất phẳng cũng có thể phân thành cáctrường hợp khi anten đặt thấp và anten đặt cao

Khi khoảng cách giữa máy phát và máy thu lớn, không thể coi mặt đất là mặtphẳng mà phải xem nó là mặt cầu Ở đây cũng có thể phân làm hai trường hợpchính khi anten đặt cao, lúc anten thu và phát đều nằm trong giới hạn nhìn thẳng vàtrường hợp tổng quát khi anten nằm trong miền khuất, để truyền tới điểm thu sóngphải uốn cong theo mặt cong Trái đất nhờ hiện tượng nhiễu xạ

Trường hợp truyền sóng trên mặt đất gồ ghề cũng có thể phân thành cáctrường hợp riêng, khi anten phát và thu trực tiếp nhìn thấy nhau và khi trên đườngtruyền lan có những vật chắn

Trong phần này, chúng ta đề cập chủ yếu tới vấn đề truyền sóng trên mặt đấtkhi phẳng và lần lượt khảo sát hai trường hợp khi anten đặt cao và khi anten đặtthấp

2.2.Các ảnh hưởng của mặt đất đến truyền sóng vô tuyến điện.

2.2.1.Ảnh hưởng của độ cong mặt đất đến cự ly thông tin cực đại trong tầm nhìn thẳng.

Khi thiết kế một kênh truyền sóng cự ngắn, nhất là khi kênh truyền đó sửdụng phương thức liên lạc trong tầm nhìn thẳng Xét đến ảnh hưởng này cho taphương án cụ thể để thiết kế chiều cao anten thu - phát sao cho hợp lý và hiệu quảnhất.

Giả sử ta có bán kính trái đất là a, độ cao anten phát là h1, độ cao anten thu là

ABmax = 2 (ε’) ha 1  h )2 (ε’)2.2)

Để dễ dàng trong tính toán người ta đưa ra công thức sau:

ABmax = 3,57(ε’) h1[m]  h2[m]) (ε’)km) (ε’)2.3)

VD :

Với bài toán ví dụ trên thì : ABmax = 3,57(ε’) 100 50) 60,69[ km]

Kết quả bài toán cho ta thấy nếu sử dụng phương thức liên lạc trong tầm nhìnthẳng thì chiều cao anten giả tưởng như trên chỉ có thể liên lạc tốt trong cự ly cáchnhau 60,69km

2.2.2.Ảnh hưởng của mặt đất khi anten đặt cao

Khi khảo sát ảnh hưởng của mặt đất đối với anten đặt cao, ta phải phân biệt

rõ khái niệm về “anten đặt cao” và “anten cao” Với “anten đặt cao” là anten có bộphận bức xạ từ nằm ở cao so với mặt đất (ε’)ít nhất cũng gấp nhiều lần bước sóng).Như vậy, bộ phận bức xạ được tiếp điện bằng dây fiđơ không bức xạ từ, dây fiđơchuyển năng lượng từ máy phát đặt tại mặt đất lên Còn “anten cao” là anten phát xạbằng chính tháp cao của anten đó

Trong thực tế thì “anten đặt cao” được dùng cho sóng cực ngắn và sóngngắn Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của mặt đất đến anten đặt cao, đặt thấp là rấtcần thiết Sau đây ta tìm hiểu cụ thể từng trường hợp

a.Đối với anten đặt cao.

- Aten đặt cao là anten có tâm bức xạ đặt ở độ cao h >> λ → anten đặt cao chỉđúng với anten làm việc ở giải sóng cực ngắn (ε’)λ <10m)

- Phương pháp nghiên cứu :

Trường hợp sóng truyền lan trên mặt phẳng với anten đặt cao là trường hợpđơn giản nhất và có thể khảo sát bằng phương pháp quang hình Có nghĩa là khi đótrường tại điểm anten thu có thể được xem như là trường giao thoa của tia trực tiếp

Như vậy, trường nhận được ở điểm thu sẽ là kết quả giao thoa của 2 điểmtrên.

Qua việc khảo sát với kết quả của công thức giao thoa ở trên, ta thấy tia phảnxạ từ mặt đất thường là gây tác dụng làm yếu đi đường cường độ trường ở điểm thu.Nếu chọn quan hệ giữa các thông các thông số của đường truyền một cách hợp lý ta

có thể làm giảm độ ảnh hưởng xấu của phản xạ hay nói cách khác là tăng cường độtrường ở điểm thu

Như ta biết cường độ trường của tia trực tiếp được xác định bởi :



 (ε’)mV/m) (ε’)2.6)Giới hạn cực đại của tỷ số h1 h2

Bước Giá trị cực đại của h1 h2

Hình 2.3: Anten đặt cao (mặt đất là mặt cầu)

2

2 1 1

2

2 1 2

KW l thu

km m

h r

h r

b.Truyền sóng khi anten đặt thấp

h2

h2

Theo phương pháp ảnh gương mặt

đất như một mặt gương phản xạ qua

mặt gương phản xạ đó nhận được một

anten ảnh đối xứng anten thật qua bề

mặt đất Người ta xác định được rằng :

Hình 2.4: Anten đặt thẳng đứng

Dòng điện trong anten ảnh hưởng có cùng biên độ, cùng chiều với dòng điệntrong anten thật Vì vậy, giá trị trường nhận được tại điểm M (ε’)khi rất xa nguồn) sẽtăng gấp 2 lần

Người ta đưa ra công thức tính giá trị trường nhận được ở điểm thu :

Trong trường hợp này theo lý thuyết ảnh gương ta cũng nhận được một antenảnh đối xứng anten thật qua bề mặt đất Dòng điện trong anten ảnh có cùng biên độvới dòng điện trong anten thật nhưng ngược chiều nên trường nhận được ở điểm thu

sẽ là 0 (đây là một hiện tượng được giải thích cho người sử dụng máy bộ đàm cầm tay trong khi liên lạc để máy nằm ngang, do vậy mất liên lạc mặt đất).

Đối với sóng dài và cực dài, mặt đất trở nên bằng phẳng và có tính dẫn điệntốt Sóng truyền lan theo phương thức sóng đất có thể truyền đi được rất xa vì bịhấp thụ ít Cự ly truyền sóng có thể lên tới hàng ngàn Km Trong quá trình sóng lantruyền sóng bị suy hao do hấp thụ bởi mặt đất Bước sóng cáng dài sóng càng bị hấpthụ càng nhỏ.

Xét đến ảnh hưởng hấp thụ của mặt đất chúng ta có công thức truyền sóng

hd h

hhd : là chiều cao hiệu dụng của anten

λ : bước sóng

F : hệ số suy giảm

Phạm vi có thể áp dụng công thức Sulaykin-Vander Pol không vượt quá cácgiới hạn cực đại nêu ở bảng 2.3

Bảng 2.3: Bảng giá trị cực đại áp dụng được công thức Sunlaylin -Vanderpol

Bước sóng (ε’)m) Giá trị cực đại của khoảng cách áp dụng được công thức(ε’)km)

Kết luận chung: Trong chương này, chúng ta đề cập chủ yếu tới vấn đề

truyền sóng trên mặt đất khi phẳng và lần lượt khảo sát hai trường hợp khi anten đặtcao và khi anten đặt thấp Trong thực tế thì “anten đặt cao” được dùng cho sóng cựcngắn và sóng ngắn Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của mặt đất đến anten đặt cao,đặt thấp là rất cần thiết

3.1.Truyền sóng trong tầng đối lưu.

3.1.1.Cấu tạo và đặc tính của tầng đối lưu.

3.1.1.1 Cấu tạo.

Tầng đối lưu là tầng dưới cùng của khí quyển sát Trái đất, trải từ mặt đất lênđến độ cao khoảng 8 -10 km ở các vĩ tuyến cực, khoảng 10-12 km ở các vĩ tuyếntrung bình và khoảng 16-18 km ở miền nhiệt đới

Suốt bề dày của tầng đối lưu, chất khí có thành phần không đổi giống như ởtrên mặt đất

Hình 3.1.Cấu tạo tầng đối lưu

P là áp suất hơi nước

Áp suất khí quyển luôn giảm theo độ cao P hgiảm nhanh hơn (ε’)khih=10÷13km thì P h→ 0) Nếu tầng khí quyển đồng nhất và nhiệt độ không đổi, ápsuất khí quyển sẽ biến đổi theo qui luật :

h60180

Điện lyBình lưuĐối lưu

P

.

0.

mg h kT H

P  P e (ε’)3.1)

H

P : là áp suất tại độ cao H

0

P : là áp suất tại độ cao =0 (ε’)tại mặt đất)

k = 1,38.10-16 ec/độ mol : là hằng số Boltzman

T : nhiệt độ Kenvin (ε’)0K)Thực ra thành phần của chất khí không phải cố định mà nó thay đổi theo độcao Vì vậy, kết quả tính toán theo công thức trên có thể có sai số

Những kết quả đo lường thực nghiệm cho ta biết giá trị trung bình của ápsuất khí trong tầng đối lưu ở một vài độ cao như sau :

Bảng 3.1: Bảng giá trị trung bình của áp suất khí ở một vài độ cao

Độ cao (ε’)km) Áp suất trung bình (ε’)mbar)

Nhiệt độ trung bình của không khí ở giới hạn trên của tầng đối lưu, trong cácmiền cực vào khoảng -550C và ở miền nhiệt đới khoảng -800C

Giới hạn trên của tầng đối lưu được xác định tại chỗ gián đoạn của sự giảmnhiệt độ theo dộ cao

Nguyên nhân của sự giảm nhiệt độ theo độ cao có thể được giải thích nhưsau: sự đốt nóng tầng đối lưu chủ yếu là do tỏa nhiệt của mặt đất Như vậy, việc đốtnóng được thực hiện từ bên dưới còn ở các lớp trên được thực hiện thông qua hiệntượng đối lưu

Cũng có trường hợp ở một khoảng nào đó trong tầng đối lưu lại có hiệntượng nhiệt độ tăng theo độ cao Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng nghịch nhiệt

độ (ε’)đảo nhiệt độ) Hiện tượng đảo hiệt độ có vai trò khá quan trọng trong sự truyềnsóng tầng đối lưu.

- Chiết suất khí quyển thay đổi độ cao

- Độ ẩm của không khí

Hơi nước chứa trong tầng đối lưu được tạo ra do sự bốc hơi của mặt nướctrên mặt đất dưới tác dụng của bức xạ mặt trời Vì vậy, tầng khí quyển ở trên các đạidương ẩm hơn tầng khí quyển trên đất liền Lượng hơi nước giảm nhanh theo chiềucao Ví dụ, ở độ cao 1,5km, lượng hơi nước trong không khí nhỏ hơn mặt đấtkhoảng hai lần còn ở giới hạn trên của tầng đối lưu thì nó nhỏ hơn hàng trăm lần

3.1.1.3.Hệ số điện môi trong tầng đối lưu.(ε’)

Trong đó : k hệ số phân cực khí

hhệ số phân cực hơi nước

Gọi n là chỉ số chiết suất trong tầng đối lưu

10,043

Để xét ảnh hưởng của tầng đối lưu đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện,người ta phải khảo sát được các thông số chủ yếu đặc trưng cho tính chất của tầngđối lưu Trong phần khảo sát sau đây ta còn dùng khái niệm “tầng khí quyển tiêuchuẩn” hay “tầng đối lưu thường” Đó là tầng đối lưu giả định, phản ánh tình trạngtrung bình của tầng đối lưu thực bao quanh Trái đất.

Đó là :

P0 : áp suất của tầng khí quyển = 1013mbar

R = 8,31 10-7 éc/độ mol , là hằng số chất khí

T : nhiệt độ tuyệt đối

M : trọng lượng của phân tử chất khí

g : gia tốc trọng trường

Tuy nhiên ta chỉ khảo sát ở tầng đối lưu trung bình Qua khảo sát người ta đãqui ước sẽ có các tính chất sau :

- Ở mặt đất :

Áp suất P = 1013mbar

Nhiệt độ T = 150C

Độ ẩm tương đối S = 60%

- Mỗi khi tăng chiều cao 100m thì :

Áp suất P giảm đi 12mbar

Nhiệt độ T giảm đi 0,550C

Độ ẩm tương đối của tầng đối lưu vẫn bảo toàn suốt theo độ cao

- Giới hạn trên của “tầng đối lưu trung bình” là 11km

a.Ảnh hưởng của sự biến thiên của chiết suất (ε’)n) theo độ cao đến đường đi của tia