Bài giảng trường điện từ và truyền sóng

Tóm tắt học phần lý thuyết trường điện từ I Lý thuyết trường điện từ Để hiểu lý thuyết trường điện từ trước tiên ta phải hiểu lý thuyết điện trường tĩnh lý thuyết từ trường tĩnh, qui luật điện trường tĩnh từ trường tĩnh Với điện trường tĩnh phải hiểu tính chất khơng xoáy điện trường, điện trường trường thế, cường độ trường biểu thị qua gradient hàm vô hướng Điện trường trường có nguồn, nguồn điện trường điện tích Thành phần pháp tiếp tuyến điện trường liên tục chuyển dịch từ môi trường sang mơi trường Cịn thành phần pháp tuyến vecto điện cảm liên tục chuyển từ môi trường sang mơi trường khác bờ khơng có điện tích tự do, bị gián đoạn bờ có điện tích tự Nhưng thành phần pháp tuyến điện trường bị gián đoạn bờ Đối với điện trường tĩnh người ta xây dựng hệ thông phương trình dạng vi phân tích phân phản ánh ý nghĩa điện trường tĩnh Với từ trường tĩnh phải hiểu vốn trường xốy, khơng có nguồn.Trong thiên nhiên khơng có từ tích nguồn trường Đường sức từ trường đường khép kín Tại điểm, cường độ xốy mật độ dòng điện điểm Thành phần pháp tuyến cường độ từ cảm liên tục chuyển từ mơi trường sang mơi trường Cịn thành phần tiếp tuyến cường độ từ trường gián đoạn bờ điện môi kim loại, khoảng gián đoạn có giá trị mật độ dịng điện mặt Nhưng thành phần tiếp tuyến cường độ từ trường liên tục chuyển qua bờ hai điện môi Đối với từ trường tĩnh người ta xây dựng hệ thơng phương trình dạng vi phân tích phân phản ánh ý nghĩa từ trường tĩnh Với trường điện từ biến thiên phải hiểu biến thiên điện trường sinh từ trường biến thiên, ngược lại, biến thiên từ trường lại sinh điện trường biến thiên: điện trường từ trường có mối liên hệ khăng khít với nhau, khơng thể nói có điện trường biến thiên mà khơng có từ trường biến thiên, khơng thể nói có từ trường biến thiên mà khơng có điện trường biến thiên Trong việc tạo từ trường dịng điện dịch có vai trị tương đương dịng điện dẫn Chúng tạo từ trường xốy Qui luật biến thiên điện trường theo thời gian xác định qui luật phân bố từ trường không gian Từ trường biến thiên tạo điện trường xoáy Qui luật biến thiên từ trường theo thời gian xác định qui luật phân bố điện trường khơng gian Điện trường có nguồn Nguồn điện trường điện tích Cịn từ trường khơng có nguồn Trong thiên nhiên khơng có từ tích tự Tương tự điện trường tĩnh từ trường tĩnh, ta khảo sát điều kiện bờ trường điện từ biến thiên thành phần vecto từ trường, vecto điện trường chuyển từ môi trường sang môi trường Đối với trường điện từ biến thiên người ta xây dựng hệ thống phương trình Măcxoen dạng vi phân tích phân phản ánh ý nghĩa trường điện từ biến thiên Năng lượng trường điện từ bao gồm lượng điện trường lượng từ trường thể tích Do biến thiên điện trường từ trường theo thời gian làm mật độ lượng điện trường mật độ lượng từ trường biến đổi phần lượng trường điện từ biến thành nhiệt phần lượng thoát qua mặt bao bọc thể tích khơng gian bên ngồi II Sóng điện từ Giả thiết không gian đồng nhất, đẳng hướng rộng vơ hạn, sóng điện từ tạo điểm thời điểm vecto điện trường vecto từ trường có biên độ pha xác định: - Những điểm trường có biên độ giống hợp thành mặt đồng biên - Những điểm trường có pha giống hợp thành mặt đồng pha - Các vecto E H biến đổi theo thời gian Sự biến đổi pha khiến mặt đồng pha dịch chuyển với vận tốc pha Vpha - Nếu tất điểm mặt đồng pha, biên độ vecto E H mặt đồng pha mặt đồng biên, sóng gọi sóng đồng Các mặt đồng gọi mặt sóng Nếu mặt đồng pha đồng biên mặt phẳng, ta có sóng điện từ phẳng, mặt sóng mặt phẳng - Thực tế có sóng trụ hay sóng cầu, khơng có sóng phẳng Tuy nhiên, người ta áp dụng phương pháp khảo sát sóng phẳng trường hợp điểm cách xa nguồn phạm vi hẹp ta coi gần mặt sóng mặt phẳng Khi sóng phẳng truyền điện mơi lý tưởng có sóng thuận sóng nghịch Có loại mơi trường: Môi trường điện môi Môi trường dẫn điện tốt Mơi trường bán dẫn điện Thực tế khơng có mơi trường điện môi lý tưởng Tùy thuộc vào loại môi trường mà ta thấy đại lượng hệ số điện mơi, hệ số pha, trở kháng sóng, thành phần điện trường, thành phần từ trường, vận tốc pha khác Chính thấy q trình truyền sóng từ máy phát đến máy thu q trình truyền qua mơi trường khác làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu làm suy giảm tín hiệu Cũng ánh sáng, sóng tới xiên (hợp với mặt phân cách môi trường) góc mặt phân cách môi trường xảy tượng phản xạ khúc xạ Các biểu thức tính cho sóng phản xạ, sóng khúc xạ lại tùy thuộc vào sóng phân cực ngang hay sóng phân cực đứng Khi nghiên cứu sóng tới xiên từ mơi trường sang mơi trường thấy tia khúc xạ quan trọng, khơng có tượng khúc xạ khơng thể thu tín hiệu phịng kín có nhiều chướng ngại vật đặt anten thu anten phát Và tượng phản xạ có vai trị quan trọng anten thu anten phát khơng đặt tầm nhìn thẳng III Bức xạ sóng điện từ Khái quát: vật thể V có mật độ dịng điện J thay đổi theo thời gian có mật độ điện tích khối  biến thiên theo thời gian định có xạ sóng điện từ Để tìm mối quan hệ thành phần trường điện từ với nguồn tạo trường ta tiến hành tìm nghiệm hệ phương trình Macxoen có mặt nguồn ngồi mật độ dịng điện J mật độ điện tích khối  Để giải hệ phương trình Măcxoen cách tắc việc khó, giả thiết trường trường chuẩn tĩnh, nghĩa coi nguồn trường(mật độ dòng điện J mật độ điện tích khối ) biến đổi chậm đến mức thời gian sóng truyền từ nguồn đến điểm quan sát giá trị nguồn coi chưa kịp biến thiên Từ kết tìm nghiệm ta suy nghiệm hệ phương trình Măc-xoen nguồn trường biến thiên nhanh(cần ý đến chậm pha trường) Nghiên cứu xạ đipol điện cho ta kết cụ thể biểu thức tính điện trường từ trường khu gần khu xa dòng điện chảy đipol dòng điện biến đổi điều hịa theo thời gian, từ rút nhận xét trường xạ khu xa, giúp hình dung cấu trúc trường khu xa IV Truyền sóng - Một kênh thông tin bao gồm máy phát máy thu, máy phát máy thu mơi trường truyền sóng Tuy máy phát máy thu tốt, ảnh hưởng mơi trường truyền sóng mà chất lượng truyền tin từ máy phát đến máy thu bị giảm rõ rệt Để đảm bảo chất lượng kênh thông tin cần phải quan tâm đến mơi trường truyền sóng, lựa chọn đắn tần số công tác chọn phương thức truyền sóng cách hợp lý - Thực tế môi trường thường hay biến đổi, ta xây dựng cơng thức truyền sóng lý tưởng(mơi trường truyền sóng điện mơi lý tưởng) - Mặt đất ảnh hưởng đến phản xạ sóng phân cực ngang sóng phân cực đứng Việc khảo sát hệ số phản xạ từ mặt đất sóng phân cực ngang sóng phân cực đứng phản ảnh rõ ảnh hưởng - Các lớp tầng điện ly giúp ta truyền sóng theo phương thức sóng phản xạ từ tầng điện ly trái đất(ví dụ sóng trung phản xạ từ lớp E, sóng ngắn phản xạ từ lớp F), nhiên tầng điện ly lại làm suy giảm sóng vệ tinh truyền từ vệ tinh trái đất Bởi sóng vệ tinh người ta phải tạo sóng điện từ tần số cao trường phân cực quay - Với sóng cực ngắn khơng thể thực phương thức truyền sóng đất, khơng thể lợi dụng phản xạ sóng qua tầng điện ly sóng cực ngắn xun thủng tầng điện ly Bởi với sóng cực ngắn xét điều kiện tia sóng truyền thẳng giao thoa với tia sóng phản xạ từ mặt đất - Sóng cực ngắn bị suy giảm gặp chướng ngại vật đồi núi cao, nhà cao tầng, việc nghiên cứu nguyên lý Huyghen miền Fresnel cần thiết để giải thích tượng anten phát anten thu bị che khuất anten thu thu tín hiệu - Với sóng trung: ta thực truyền sóng đất sóng trời Chất đất có điện dẫn suất khác số điện mơi khác làm sóng suy giảm với mức độ khác Thường người ta chọn miền đất đồng nước biển môi trường truyền sóng trung tốt Xu bỏ dần hệ thống thơng tin dùng sóng ngắn, thơng tin trực tiếp thơng qua mạng internet hay từ vệ tinh phát xuống trái đất xác khơng bị nhiễu(thơng tin sóng ngắn đơn tải tín hiệu âm hay bị nhiễu, hay bị chập chờn mật độ tầng điện ly lớp F thay đổi, độ cao lớp F thay đổi phạm vi định) Cho nên việc tạo sóng phân cực quay để phục vụ cho thồng tin vệ tinh cần thiết V Các phương thức truyền sóng Nêu lên phương thức truyền sóng ngắn sóng cực ngắn dùng dùng thực tế, ưu nhược điểm phương thức truyền sóng Phân tích tình xấu xảy thực truyền sóng ngắn, sóng cực ngắn biện pháp khắc phục nhược điểm Phân tích để rằng: ngày phát triển hệ thống thông tin viễn thông đặc biệt sử dụng thông tin số người ta thường dùng sóng cực ngắn, đặc biệt sóng siêu cao tần phát từ vệ tinh xuống trái đất từ trái đất lên vệ tinh, mà người ta sử dụng sóng ngắn Trong phần cần phân tích kỹ ưu nhược điểm sử dụng sóng cực ngắn, đặc biệt sóng siêu cao tần Phần I: Trường điện từ Trường điện từ dạng đặc biệt vật chất, đặc trưng lực tác dụng tương hỗ trường điện từ với điện tích phân bố khơng gian dạng sóng tính kết cấu gián đoạn loại phô-tôn Trong chân không trường điện từ truyền lan với tốc độ ánh sáng.Trường điện từ dạng vật chất, mà vật chất có lượng Năng lượng trường điện từ tn theo định luật bảo tồn chuyển hố lượng Lơmơnơsơp Điện tích mơt thơng số hạt vật chất hay vật thể, đặc trưng cho liên hệ tương hỗ điện tích với điện từ trường nội tác dụng tương hỗ điện tích với điện từ trường bên ngồi Lượng điện tích biểu thị lực tác dụng tương hỗ trường điện tích với trường điện tích Điện từ trường có hai mặt biểu hiện: điện trường từ trường Coi điện trường từ trường riêng rẽ khơng mà coi điện từ trường phép cộng điện trường từ trường sai Điện trường từ trường không tồn riêng rẽ Có điện trường có từ trường ngược lại Mặt biểu nhiều điều kiện vật lý trạng thái chuyển động, có dịng điện, có điện tích v.v… Ví dụ trường hợp điện tích cố định ta thấy tính chất điện trường điện từ biểu rõ điện trường, trường hợp nam châm tính chất từ trường biểu rõ Biểu mặt nhiều hay xét quan hệ lượng điện trường lượng từ trường phía nhiều hay Tổng quát chúng lượng điện từ trường Chương I: Những định luật nguyên lý trường điện từ 1.1 Các đại lượng đặc trưng cho trường môi trường 1.1.1 Các đại lượng đặc trưng cho trường điện từ a/ Vectơ cường độ điện trường E Để đưa khái niệm vecto cường độ điện trường E ta xuất phát từ định luât Culông sau đây: Lực tương tác tĩnh điện hai điện tích điểm có phương nằm đường thẳng nối hai điện tích, có chiều hình 1-1a(hai điện tích dấu đẩy nhau) hình 1-1b(hai điện tích khác dấu hút nhau), có độ lớn tỷ lệ thuận với tích số độ lớn hai điện tích tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách hai điện tích r F21  q2  q1 a, F12 r  q1 b, F12  q2 r21 (1-1) F21 Hình 1-1 F12 lực điện tích q2 tác dụng lên điện tích q1 F21 lực điện tích q1 tác dụng lên điện tích q2 Ta có: q1q2 F12 = q1q2 r12 ; 4r2 F21 = 4r2 r12 vecto đơn vị nằm đường thẳng nối điện tích chiều với F12 r21 vecto đơn vị nằm đường thẳng nối điện tích chiều với F21 r khoảng cách hai điện tích (tính theo m)  số điện môi:  = ’0 0 = 8,86.1012 C2/N.m số điện môi chân không ’ hẳng số điện mơi tương đối mơi trường, khơng có thứ ngun Giả sử có hệ điện tích điểm qi (i = 1,2,3,…,n) phân bố gián đoạn khơng gian điện tích q0 đặt khơng gian Gọi Fi lực tác dụng điện tích qi lên điện tích q0( i = 1,2,…,n), lực Fi xác định định luật Culông Khi lực tổng hợp tác dụng lên điện tích q0 là: n F = F1 + F2 + … + Fn =  Fi (1-2) i =1 Như ta biết, lực tương tác hai điện tích xảy chúng đặt cách khoảng r chân khơng, người ta đưa quan niệm điện tích tạo xung quanh mơi trường vật chất đặc biệt gọi điện trường Đặc trưng điện trường là: điện tích đặt vào điểm khơng gian điện trường điện tích bị tác dụng lực, điều chứng tỏ điện trường có lượng Giả sử ta đặt điện tích q0 điểm M điện trường điện tích q, điện tích phải đủ nhỏ để khơng làm thay đổi điện trường mà ta xét Lúc ta có lực tác dụng lên điện tích q0 là: qq0 F= r0 Nếu chia hai vế cho q0 thì: 4r2 F E= q = r0 = const (1-3) q0 4r r0 vecto đơn vị nằm đường nối hai điện tích chiều với vecto F Từ (1-3) ta thấy dùng vecto E để đặc trưng cho điện trường(về mặt tác dụng lực) điểm xét E gọi vecto cường độ điện trường, độ lớn E vecto gọi cường độ điện trường Từ (1-3) ta thấy chọn q0 = +1 E = F , nghĩa là: Vecto cường độ điện trường điểm đại lượng có trị vecto lực tác dụng điện trường lên đơn vị điện tích dương đặt điểm Đơn vị vecto cường độ điện trường theo hệ đơn vị SI V/m Khi q>0 q1 vecto cường độ điện trường điểm M điện tích điểm q gây bị giảm ’ lần: q E’ = r0 (1-10) 4’0 r So sánh (1-9) (1-10) ta khái quát lên cường độ điện trường gây điện tích điểm, hệ điện tích điểm, dây tích điện, mặt tích điện, vật thể tích điện phụ thuộc vào tính chất môi trường( E tỷ lệ nghịch với ) Như vậy, qua mặt phân cách môi trường với số điện mơi khác cường độ điện trường E biến đổi đột ngột, phổ đường sức điện trường bị gián đoạn mặt phân cách hai môi trường S  ’ =2 Hình 1-2 Sự gián đoạn phổ đường sức điện trường Hình 1-2 điện phổ điện tích +q đặt tâm cầu S, bên S chân khơng(’ = 1), cịn bên ngồi S mơi trường có ’ = Dễ dàng nhân thấy từ chân khơng mơi trường có ’ = 2, qua mặt phân cách S, số đường sức giảm lần: điện phổ bị gián đoạn mặt S Sự gián đoạn đường sức điện trường khơng thuận tiện nhiều phép tính điện trường Vì vậy, để mơ tả điện trường, ngồi vecto cường độ điện trường E, người ta dùng đại lượng vật lý khác không phụ thuộc vào tính chất mơi trường gọi vecto cảm ứng điện D Trong trường hợp môi trường đồng thì: D = ’0E (1-11) Độ lớn vecto D D = ’0E (1-12) Kết hợp (1-11) với biểu thức tính vecto cường độ điện trường E dễ dàng suy ra: q q D = r0 = r (1-13) 4 r2 4 r3 |q| D= (1-14) 4 r Như vậy, điểm điện trường, D phụ thuộc q, tức nguồn sinh điện trường mà khơng phụ thuộc vào tính chất mơi trường Theo (1-14), hệ SI, cảm ứng điện đo đơn vị Culông met vuông (C/m2) Để hiểu rõ ảnh hưởng môi trường đến cường độ điện trường điện tích(hay hệ điện tích) ta cần khảo sát thêm số nội dung Nếu điện trường tồn môi trường vật chất tác dụng điện trường xảy tượng: - Sự xê dịch điện tích liên kết pham vi phân tử nguyên tử hay mạng tinh thể vật chất - Sự chuyển động có hướng điện tích tự Trong điện mơi điện tích tự điện trường có tác dụng chủ yếu làm xê dịch điện tích liên kết phạm vi phân tử Hiện tượng gọi phân cực điện môi Tuỳ theo cấu trúc điện môi cấu tạo phân tử mà có loại phân cực khác nhau: - Phân cực điện tử: xê dịch điện tử hạt nhân phạm vi nguyên tử Sự phân cực xảy tất chất điện môi - Phân cực định hướng định hướng lưỡng cực phân tử điện môi tác dụng điện trường Trong số điện môi tồn lưỡng cực phân tử, mô men lưỡng cực chúng phân bố hỗn loạn khơng có điện trường ngồi - Phân cực ion xê dịch lẫn ion dương ion âm mạng tinh thể điện môi Để đặc trưng cho dạng phân cực điện điện môi người ta đưa khái niệm mô men lưỡng cực phân tử Pe Pe = q.le le q điện tích liên kết lưỡng cực phân tử le vecto có độ lớn khoảng cách điện tích liên kết có chiều từ điện tích âm đến điện tích dương Trong đơn vị thể tích điện mơi mơ men lưỡng cực Pe, Pe biểu cường độ phân cực điện điện môi xác định biểu thức: 10 Khi biết thông số điện môi tương đối ’ điện dẫn suất  đất ta tính số phản xạ phức R A  r1  h1   h2 B’ C A’ B Đất ’,  r Hình 4-23 Sóng truyền trực tiếp từ A đến B là: E1 = [245.(PkWD1)1/2/r1km].cos(t) (mV/m) (4-40) Cường độ trường điểm thu theo đường gãy khúc ACB(do phản xạ C) là: E2 = |R|.[245.(PkWD2)1/2/(r1 +r)km ].cos[t (2/)r] (mV/m) (4-41) D1 số định hướng anten phát theo hướng AB D2 số định hướng anten phát theo hướng AC Vậy điện trường tổng hợp điểm thu B E = E1 + E2 (4-41) Thông thường khoảng cách anten phát anten thu AB lớn r, AC, CB lớn Bởi tg = h1/A’C nhỏ góc nghiêng  nhỏ Người ta tính giá trị hiệu dụng cường độ trường điểm thu có dạng chung cho sóng phân cực đứng phân cực ngang sau: 173  PkWD  + |R|2 +2.|R|cos( + k.r ) Eh = (4-42) rkm Ở R hệ số phản xạ, tuỳ theo sóng phân cực đứng hay phân cực ngang mà ta có hệ số Rđ hay Rng  góc pha hệ số phản xạ, tuỳ theo sóng phân cực đứng hay phân cực ngang mà ta có góc pha đ hay ng 4.7.2 Cơng thức giao thoa sóng phân cực đứng Từ (4-42) ta thay |R| |Rđ|, thay  đ có cơng thức giao thoa sóng phân cực đứng Dĩ nhiên phải tính tốn hệ số Rđ 4.7.3 Cơng thức giao thoa sóng phân cực ngang Từ (4-42) ta thay |R| |Rng|, thay  ng có cơng thức giao thoa sóng phân cực ngang Dĩ nhiên phải tính tốn hệ số Rng 99 CHƯƠNG V: CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN SÓNG 5.1 Phương thức truyền sóng ngắn * Khái niệm: Sóng ngắn sóng có tần số λ = 100 ÷ 10m tức f = – 30MHz Sóng ngắn truyền lan sóng đất, truyền lan sóng tầng điện ly ( hay sóng trời) Khi tần số cao mức độ hấp thụ mặt đất với sóng cao Vì việc thực sóng đất sóng ngắn với máy phát có cơng suất trung bình tần số vài trục kHz Cơng thức Sulaykin- Vanderpol ( tính cường độ trường sóng đất sóng ngắn): Với khoảng cự ly thông tin dài hơn, người ta phải sử dụng máy phát có cơng suất cực lớn, sử dụng cơng suất lớn để truyền sóng theo phương thức tầng điện ly Với sóng trung (MW) sóng dài (LW) sóng ngắn có ưu điểm sau: Có thể sử dụng với anten định hướng cao, tiết kiệm công suất máy phát Sự hấp thụ tầng điện ly sóng ngắn nhỏ sóng trung Vì đài phát thơng tin cự ly lớn sử dụng sóng ngắn nhiều 5.1.1 Giới hạn dải tần công tác Khi thực thơng tin đường dài băng sóng ngắn người ta sử dụng phương thức truyền sóng tầng điện ly hay sóng phản xạ lớp F Như vậy, đường xuyên qua lớp D, lớp E Để đạt cự ly xa việc truyền sóng phải thỏa mãn hai yêu cầu: Sóng phải phản xạ tầng điện ly Cường độ trường điểm thu phải đủ lớn ( Sóng khơng bị hấp thụ tầng điện ly nhiều) Cả hai dải tần giới hạn dải tần công tác sóng + Điều kiện thứ qui định giới hạn Tức muốn phản xạ tần số phải nhỏ giá trị Để sóng phản xạ tần số sóng khơng cao Ứng với mật độ điện tử lớn tầng điện ly góc tới định cho tần số xác định tần số gọi fmax + Điều kiện hai qui định giới hạn dải tần công tác Khi tần số thấp mức độ hấp thụ lớp thấp tăng Do mà sóng xun qua lớp thấp bị hấp thụ nhiều cường độ trường điểm thu khơng cịn đủ để máy thu làm việc Ứng với điều kiện cho trước đường truyền cơng suất máy phát, góc tới sóng, tần số thấp mà sóng phản xạ từ tầng điện ly trở gọi tần số sử dụng thấp Mật độ điện tử tầng điện ly luôn biến đổi theo thời gian ngày đêm mà giới hạn tần số thấp cao thay đổi ngày đêm Ngày tác dụng tia vũ trụ mặt trời mật độ điện tử lớp tầng điện ly tăng cường dẫn đến mức độ hấp thụ lớp thấp tăng lên Vì giới hạn tần số thấp lại tăng lên Khi mật độ điện tử lớp F tăng lên giới hạn tần số cực đại tăng theo Vào ban đêm mật độ điện tử lớp bị giảm xuống Và giới hạn thấp cao giảm theo Thông thường ban ngày người ta sử dụng sóng ngắn từ 10 đến 35m Vào ban đêm sử dụng từ 35 đến 100m 100 5.1.2 Miền im lặng + Khi thơng tin sóng ngắn người ta quan sát thấy có tượng sau: Khi dịch chuyển thiết bị thu xa đầu phát đến cự ly việc thu khơng thực ( điểm B) Sau tiếp tục di chuyển thiết bị thu xa thêm đài phát đến cự ly D việc thu lại thực bình thường Vùng nằm giới hạn gọi miền im lặng + Giải thích xuất miền im lặng: Ứng với mật độ điện tử tầng điện ly tần số cơng tác có cự ly tới hạn mà tất tia phản xạ từ tầng điện ly rơi ngồi, cịn tia truyền lan theo sóng đất bị hấp thụ nhanh, cự ly xa khơng thể vượt ngồi vài trục km ( Miền im lặng có sóng đất bị triệt tiêu, sóng phản xạ bi rơi Miền nằm gần đài phát) Miền im lặng thường có hình vành khăn bao quanh đài phát Giới hạn bên ngồi vịng trịn có bán kính cự ly tới hạn, cịn vịng trịn bán kính giới hạn có hiệu sóng đất 5.1.3 Hiện tượng pha đinh a) Hiện tượng pha đinh: Khi thực thu sóng ngắn thường thấy tượng dao động cường độ trường tín hiệu lớn nhỏ thất thường Hiện tượng gọi tượng pha đinh Nguyên nhân tượng pha đinh giao thoa sóng trời tới điểm thu đường khác Để đến điểm thu, sóng phản xạ lần nhiều lần, tia có quãng đường khác Do mà pha điểm thu khác Sự biến đổi liên tục mật độ điện tử tầng điện ly dấn đến biến đổi liên tục quãng đường kết dẫn đến việc thay đổi liên tục pha điểm thu Nếu quãng đường hai tia chênh đoạn /2 pha chúng khác 1800 , biên độ gần triệt tiêu Sự thay đổi liên tục chiều cao tầng phản xạ dấn đến biến đổi liên tục pha, tượng pha đinh Ngồi tượng pha đinh cịn xảy tượng giao thoa chùm khuyếch tán Do cấu tạo không đồng tầng điện ly mà tia sau bị phản xạ bị biến đổi thành chùm tia Ở điểm thu nhận tia chùm tia khuyếch tán tia đơn ( tia không bị khuyếch tán) Và giao thoa chúng làm cho góc pha biến đổi Kết dẫn đến pha đinh b) Biện pháp chống phađinh: Để trống pha đinh người ta sử dụng: Dùng Anten thu định hướng cao ( có đồ thị phương hướng hẹp) định hướng để thu tia đơn) Đối với máy thu có chất lượng cao người ta sử dụng dàn Anten phân tập Vấn đề tăng hay giảm cường độ trường không xảy đồng thời phạm vi hẹp khu vực thu Trong trường hợp tăng giảm cách khoảng nhỏ 10 bước sóng dùng hai hay ba Anten phân tập đặt cách khoảng cách trường thu đạt ổn định ( loại trừ pha đinh) 101 5.1.4 Hiện tượng hồi âm Trong điều kiện thuận lợi, sóng ngắn truyền xa cách phản xạ nhiều lần tầng điện ly Kết trường điểm thu ngồi tín hiệu nhận cịn nhận tín hiệu đến chậm Hiện tượng gọi tượng hồi âm Hiện tượng hồi âm thuận sóng hồi âm vịng quanh trái đất theo chiều truyền lan thuận Tín hiệu vịng chậm sau vài giây đến điểm thu Hồi âm nghịch tín hiệu hồi âm ngược chiều truyền lan Tín hiệu đến điểm thu hai đường Đường theo cung nhỏ đường vòng sau lưng trái đất Nếu độ dài cung nhỏ 1000km tín hiệu hồi âm đến chậm khoảng 0,02 – 0,035s Đối với điện thoại hồi âm gây âm lỏng, ảnh hưởng đến chất lượng truyền thơng Nhưng điện báo kênh truyền số liệu gây âm thừa, hình lồng, kết làm sai lệch tập số liệu hình ảnh 5.1.5 Hiện tượng khuyếch tán sóng ngắn mặt đất Giả sử có tia sóng phản xạ từ tầng điện ly Khi đến mặt đất bị khuyếch tán điểm thu B Nếu mặt đất không phẳng ( sườn đồi, rừng vật kiến trúc) phản xạ theo quy luật phản xạ quang Kết bị khuyếch tán thành tia 1, 2, 3, 4, làm cho tia truyền lan theo hướng khác Trong số tia có tia quay trở lại phản xạ tầng điện ly trở lại điểm đặt Anten phát Nói chung tượng khuyếch tán có lợi Nó làm giảm nhỏ miền im lặng, làm mờ pha đinh ứng dụng kỹ thuật đo lường trắc địa Nó dùng để khảo sát tầng điện ly cách trước truyền tin vô tuyến điện người ta phát tín hiệu thăm dị đo cường độ tia phản xạ để xác định cực tần số cao sử dụng để thực việc truyền sóng phản xạ tầng điện ly đồng thời vào cường độ trường phản xạ người ta xác định cường độ trường điểm thu định trước Phương pháp gọi phương pháp thăm dò xiên Ưu điểm phương pháp việc xác định nhanh chóng giới hạn tần số cơng tác cường độ trường lúc bắt đầu Nó cịn cung cấp biến đổi tầng điện ly suốt q trình cơng tác giúp cho người vận hành thay đổi kịp thời công suất xạ, tần số xạ cho phù hợp 5.1.6 Sự phá hoại thông tin tác dụng nhiễu loạn tầng điện ly Ảnh hưởng trực tiếp mặt trời, nhiều loạn tầng điện ly chia thành hai loại: Bão từ điện ly hấp thụ bùng nổ đột ngột a) Ảnh hưởng bão từ điện ly: Hoạt động mặt trời kèm theo xạ quang xạ hạt vào thời khắc xảy hoạt động mạnh mặt trời vụ nổ  xạ quang xạ hạt tăng Bức xạ gây ảnh hưởng trực tiếp đến ion tầng điện ly Bão từ điện ly dòng hạt có cường độ mạnh khơng đồng gây Những dịng hạt rơi vào trái đất chuyển động theo hình xốy ốc dọc theo đường sức từ trái đất có hướng tích cực Gây ion hóa với chất khí lành, tăng 102 nhiệt độ bầu khí làm giảm mật độ điện tử tầng điện ly Với dịng hạt mạnh tác dụng đốt nóng bầu khí lớn tác dụng ion hóa, đặc biệt lớp vỏ khí quyển( Lớp F) làm cho chiều cao lớp F tăng lên Cấu tạo lớp khơng cịn mặt kín đồng Nó bị dạn vỡ tụ lại thành đám mây điện tử có tác dụng phản xạ làm cho hướng phản xạ tia sóng ngắn từ lớp F trở bị lệch hướng Kết việc truyền thông tin bị gián đoạn Khởi đầu bão từ điện ly xảy miền cực, nơi trực tiếp nhận dịng hạt rơi khí trái đất Sau bão lan dần xuống biên độ thấp với cường độ nhỏ Mỗi lần bão từ điện ly xảy vài ngày đến vài tuần Sau bão tan tầng điện ly vài tuần trở lại bình thường Trong sau thời gian xảy bão từ điện ly cần phải thơng tin nên giảm tần số công tác phải chọn đường thơng mà khơng qua vùng có bão, đặc biệt không sử dụng phương pháp Toro Vấn đề dự báo bão từ hồn tồn thực khoảng thời gian dài Cho nên ảnh hưởng bão từ giảm xuống b) Sự hấp thụ bùng nổ đột ngột: Hiện tượng xuất có hoạt động mạnh mặt trời Khi mặt trời hoạt động mạnh xạ tử ngoại tăng lên Các xạ có bước sóng ngắn cỡ khoảng 1000A0 Nên khả xuyên thấu lớn, xuống đến vùng thấp bầu khí quyển, gây lên ion hóa mạnh chất khí lớp D Sự tăng mật độ điện tử ion lớp D dẫn đến tượng tăng cường độ hấp thụ sóng phá hoại thơng tin có bước sóng ngắn, bước sóng ngắn bị hấp thụ mạnh (Đối với sóng dài sóng trung hồn tồn ngược lại Khi mật độ điện tử ion lớp D tăng khả phản xạ sóng trung dài trở lên tốt Như vậy, giai đoạn xảy mức độ hoạt động mặt trời ta lên sử dụng sóng dài sóng trung.) Sự tăng cường ion hóa lớp D thường vụ nổ vùng sắc cầu mặt trời gây Nó khơng xảy đồng thời bão từ Thời gian xảy thường ngắn vài phút, lâu vài phát sinh miền sáng trái đất Khi vụ nổ vùng sắc cầu mặt trời chấm dứt tượng bùng nổ bị chấm dứt tầng điện ly nhanh chóng trở bình thường Khi tầng điện ly sử dụng sóng ngắn lại bình thường 5.2 Phương thức truyền sóng cực ngắn VHF Khái niệm: Sóng cực ngắn sóng có λ < 10m, tức f > 30MHz Sóng cực ngắn chia làm loại: +1m < λ < 10m: sóng mét (f: 30 – 300MHz) +10cm < λ < 1m: sóng decimet +1cm < λ < 10cm: sóng centimet có f: 3000 – 30000MHz +Dải sóng milimet Mỗi băng sóng có ứng dụng khác hướng truyền lan khác Băng sóng mét sử dụng nhiều lĩnh truyền hình, hệ thống khoan trắc rađa phát nhiều tầng, đường phân ly có cự li lớn Sự truyền sóng thực theo phương thức sóng đất chiết xạ tầng điện ly Cịn băng sóng dm cm sử dụng nhiều thơng tin nhiều đường Có thể sử dụng phương pháp 103 truyền sóng sóng đất sóng tầng đối lưu Băng sóng mm sử dụng thơng tin vệ tinh Có thể phân loại sóng cực ngắn theo phương thức truyền như: Truyền sóng giới hạn nhìn rõ (hệ thống trực thị) Truyền sóng địa hình phức tạp có vật cản 5.2.1 Truyền sóng giới hạn nhìn thấy Sóng ngắn khó nhiễu xạ mặt đất hình cầu quanh chướng ngại vật khác Trong dải sóng người ta thường sử dụng phương thức thu cao (Anten phải đặt độ cao lớn so với bước sóng) anten cao khoảng cách nhìn rõ lớn ảnh hưởng trướng ngại vật nhỏ Nếu r < 0,2r0 (cự ly hai anten nhỏ) Với khoảng cách ta có hệ thống thơng tin cự ly ngắn sử dụng cách thức giao thoa mà khơng cần tính đến độ cộng Khơng kể ảnh hưởng chiết xạ khí tầng đối ly, đường truyền trường hợp ổn định cường độ truyền lớn Nếu 0,9r0 > r > 0,2r0: gọi hệ thống thông tin đường dài cự ly lớn Trong biểu thức tính tốn phải tính đến độ cộng mặt đất ảnh hưởng chiết xạ khí quyển, cách người ta phải tính đến bán kính tương đương trái đất  tượng pha đinh phải xảy liên tục với độ sâu 5.2.2 Truyền sóng địa hình phức tạp có vật cản Trên đường truyền đến sóng cấu trúc bề mặt nhấp nhô, kiến trúc cao tầng, rừng hồ nước nhiều ảnh hưởng đến việc truyền sóng a) Đường truyền lan qua phía mơ nhỏ dốc Trong trường hợp anten đặt sườn dốc sóng xạ truyền đến điểm thu nhiều đường khác Nếu địa hình phức tạp số tia phản xạ nhiều để tính cường độ trường điểm thu cơng suất giao thoa phức tạp thường người ta tính số tia quan trọng, lại sếp vào tia pha đinh b) Trong trường hợp địa hình có mơ nhỏ Trong trường hợp áp dụng cơng thức giao thoa khơng cần kể đến bán kính cong ảnh hưởng trực tiếp chiết xạ tầng đối lưu, thai h1’, h2’ anten phát thu tương đương c) Đường truyền lan qua mô cao: Nếu mô chắn mà cắt ngang đường nối hai anten đường truyền lan coi đường chắn kín Trong trường hợp mà mơ chắn khơng cắt đường nối hai anten gọi đường chắn hở Những mô chắn ảnh hưởng đến việc truyền, kể trường hợp đường chắn kín đường chắn hở d) Đối với đường chắn kín: Nếu mơ chăn khuất phần lớn khoảng khơng gian truyền sóng sóng bị che khuất phần lớn truyền sóng thực với khoảng khơng gian cịn lại e) Đối với đường chắn hở: mơ chắn khuất phần nhỏ miền không gian giới hạn miền Frenel thứ nên ảnh hưởng đến q trình truyền sóng Nếu anten có tính định hưởng nhỏ ta bỏ qua ảnh hưởng mặt đất cường độ trường tính bởi: 104 Với sóng có bước sóng dài xâm nhập vào bóng tối tốt Do với đường truyền khoảng 100km – 150km bị chắn mỏm núi cao 100km – 2000m cường độ trường điểm thu có trướng ngại vật lớn trường hợp khơng có trướng ngại vật Coi đỉnh B đài chuyển tiếp Năng lượng chuyển tiếp từ đài kích thích đưa đến cho đài B hai đường khác Sóng nhiễu xạ quanh đỉnh B truyền tới bên mỏm núi Tại đỉnh C nhận sóng tới theo hai tia: BC BEC Như đoạn đường từ máy phát đến đỉnh B từ đỉnh B đến máy thu sóng truyền lan theo dạng đường thẳng trực thị Trong trường hợp cường độ trường điểm thu lớn trường hợp hai trạm khơng có vật chắn CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG I Câu 1: Cho mặt phẳng mỏng, rộng vơ hạn, tích điện với mật độ  Tính cường độ trường điểm cách mặt phẳng khoảng cách x Câu 2: Cho N điện tích điểm có điện tích tương ứng q1 , q2 , …, qN đặt không gian tự Điện tích điểm gây điện trường điểm M điện trường E1 Điện tích điểm gây điện trường điểm M điện trường E2 ………………………………………………………………………… Điện tích điểm N gây điện trường điểm M điện trường EN Chứng minh điện trường điểm M N điện tích điểm gây EM = N  EJ J=1 105 A  Câu 3: Cho ba điện tích điểm đặt ba đỉnh tam giác cân ABC có đỉnh A, hai góc đáy 75o Điện tích đặt đỉnh A, B, C qA = 8.108 C ; qB = 4.108 C ; qC = 4.108 C Biết BC = 10 cm Hãy tính điện trường ba điện tích gây giao điểm ba đường cao tam giác ABC B  C A  Câu 4: Cho ba điện tích điểm đặt ba đỉnh tam giác cân ABC có đỉnh A, hai góc đáy 75o Điện tích đặt đỉnh A, B, C qA = 8.108 C ; qB = 4.108 C ; qC = 4.108 C Biết BC = 10 cm.Hãy tính điện trường ba điện tích gây giao điểm ba đường phân giác tam giác ABC B  C A  Câu 5: Cho ba điện tích điểm đặt ba đỉnh tam giác cân ABC có đỉnh A, hai góc đáy 75o Điện tích đặt đỉnh A, B, C qA = 8.108 C ; qB = 4.108 C ; qC = 4.108 C Biết BC = 10 cm Hãy tính điện trường ba điện tích gây giao điểm ba đường trung tuyến tam giác ABC B  C 106 Câu 6: Cho ba điện tích điểm đặt ba đỉnh tam giác cân ABC có đỉnh A, hai góc đáy 75o Điện tích đặt đỉnh A, B, C qA = 8.108 C ; qB = 4.108 C ; qC = 4.108 C Biết BC = 10 cm Hãy tính điện trường ba điện tích gây giao điểm ba đường trung trực tam giác ABC A  B  +q Câu 7: Tính điện U điện trường E tạo cặp điện tích điểm trị số trái dấu, đặt cách khoảng cách l hình vẽ sau với giả thiết l