Bài giảng Kỹ thuật anten và truyền sóng (Chương 3)

CHƢƠNG TRUYỀN SÓNG TRONG TẦNG ĐIỆN LY 3.1 Tầng điện ly 3.2 Tần số plasma tần số tới hạn 3.3 Vận tốc pha vận tốc nhóm 3.4 Định luật Secant tần số khả dụng cực đại (MUF) 3.5 Tần số làm việc tối ưu 3.6 Độ cao biểu kiến - cự ly thông tin 3.7 Nhiễu loại Ion Fading 65 3.1 Tầng điện ly  Khái niệm: Tầng điện ly lớp bên bầu khí (khoảng 60km-600km), nơi chiụ tác dụng xạ sóng ngắn (bức xạ tử ngoại, xạ Rơn-ghen) mặt trời xạ khác từ vũ trụ, nên chứa nhiều ion electron tự  Tùy theo độ cao mật độ electron tự do, người ta chia tầng điện ly thành lớp + Lớp C D: độ cao biểu kiến 60-80km Ban đêm lớp C,D gần biến + Lớp E: độ cao biểu kiến 110km Ban đêm lớp E gần biến + Lớp F1: độ cao biểu kiến 180km Ban đêm lớp F1 giảm đáng kể + Lớp F2: độ cao biểu kiến 300km (ban ngày); 350km (ban đêm) 66 3.1 Tầng điện ly 67 3.1 Tầng điện ly 68 3.1 Tầng điện ly 69 3.2 Tần số Plasma tần số tới hạn  Trong tầng điện ly, số phi điện môi trường bị Ion hóa giảm theo biểu thức: 𝑁 𝑞𝑒 𝜅 = 1− 𝜀𝑜 𝑚𝜔 (3.1) Trong đó: N – mật độ electron, 𝑚−3 m – khối lượng eletron = 9,11.10−31 𝑘𝑔 qe = 1,6.10−19 𝐶 εo = 8,852 10−12 𝐹/𝑚(hằng số điện mơi) ω – tần số góc sóng (rad/s) 70 3.2 Tần số Plasma tần số tới hạn  Vận tốc góc sóng chọn giá trị để làm cho κ = 0, tần số gọi tần số Plasma  Từ cơng thức (3.1), ta có: Tần số góc plasma: 𝜔𝑁 = Tần số Plasma: 𝑓𝑁 = 𝑁 𝑁.𝑞𝑒 𝜀𝑜 𝑚 (3.2) (3.3) Ý nghĩa: sóng có tần số fN đến vùng có mật độ electron N số phi điện = 0, mật động dòng điện dịch = 0, điện trường hiệu dụng =0 thành phần sóng phản xạ triệt tiêu sóng tới điểm phản xạ 71 3.3 Vận tốc pha – vận tốc nhóm  Vận tốc pha: 𝑐 𝑣𝑝 = 𝜅 Khi sóng đạt đến độ cao mà κ = 0, vp = ∞ Và lượng sóng truyền theo vận tốc nhóm vg lớp bị Ion hóa biểu diễn biểu thức sau: 𝑣𝑝 𝑣𝑔 = 𝑐  Vận tốc nhóm: 𝑐2 𝑣𝑔 = 𝑣𝑝 72 3.4 Định luật secant tần số khả dụng cực đại (MUF) Một tia sóng vào lớp điện ly với góc tới i, vận tốc pha độ cao xác định dựa vào định luật Snell cho điều kiện khúc xạ quang: 𝑠𝑖𝑛𝑖 𝑆𝑖𝑛𝑟 = 𝑐 𝑣𝑝 r – góc khúc xạ độ cao có vận tốc vp Tại vị trí cao nhất, r = 90𝑜 , ta có 𝑣𝑝 = 𝑐 𝑆𝑖𝑛𝑖 73 3.4 Định luật secant tần số khả dụng cực đại (MUF)  Mặt khác ta có: 𝑣𝑝 = 𝑐 𝜅  Suy ra: 𝜅=sini => − 𝑓2 𝑁 𝑓2 = 𝑠𝑖𝑛2 𝑖 => 𝑓 = 𝑓𝑁 𝑠𝑒𝑐𝑖 (Định luật Secant) • Tần số khả dụng cực đại: ứng với độ cao có Nmax mà sóng tới cịn có khả phản xạ trở lại mặt đất MUF = fo seci 74 3.5 Tần số làm việc tối ƣu  Khi truyền sóng tầng điện ly, để nâng cao hiệu suất truyền sóng hạn chế suy hao thay đổi bất thường tầng điện ly làm lệch hướng tia sóng khỏi lớp Các thí nghiệm thực tế cho thấy nên dùng tần số thấp 15% MUF 75 3.6 Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin  Thành phân theo phương ngang vận tốc nhóm: vh = vg sinr Và => 𝑣𝑔 = 𝑣𝑕 = 𝑐2 𝑣𝑝 𝑠𝑖𝑛𝑟 𝑐 𝑣𝑝 Áp dụng đl Snell, suy ra: 𝑣𝑕 = 𝑠𝑖𝑛𝑖 𝑐 𝑐 = 𝑐 𝑠𝑖𝑛𝑖 Ý nghĩa: thành phần theo phương ngang vận tốc nhóm phụ thuộc vào góc tới sóng khơng phụ thuộc vào độ cao lớp ion 76 3.6 Độ cao biểu kiến – cự ly thơng tin  Thời gian để sóng đạt đến điểm cao đường truyền (điểm C) là: 𝐴𝐶 𝐴𝐵 𝐴𝐶 = = 𝑡= 𝑐 𝑣𝑕 𝑐 𝑠𝑖𝑛𝑖 Như sóng di chuyển theo khoảng cách AB với vận tốc c thời gian t Độ cao biểu kiến lớp h = OB – độ cao mà sóng xem phản xả với số vận tốc c • Giả sử mặt đất phẳng điều kiện tầng điện ly đối xứng cho sóng tới sóng phản xạ, cự ly đường truyền thông tin là: 𝑇𝑅 = 2𝑕 𝑡𝑎𝑛𝛽 77 3.6 Độ cao biểu kiến – cự ly thơng tin  Khi có tính đến độ cong trái đất, cự ly thơng tin xác định cách hình học sau: 𝑠𝑖𝑛𝑖 sin(180 − 𝛼) 𝑠𝑖𝑛𝛼 = = 𝑎 𝑎+𝑕 𝑎+𝑕 Đồng thời: 180-α = 180 – (i+θ) -> i = α - θ sin(𝛼 − 𝜃) 𝑠𝑖𝑛𝛼 = 𝑎+𝑕 𝑎 𝜃 = 𝛼 − 𝑠𝑖𝑛 −1 𝑎 𝑠𝑖𝑛𝛼 𝑎+𝑕 Trong đó: β – góc ngẩng = (90 − 𝛽) − 𝑠𝑖𝑛 −1 𝑎 𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑎+𝑕 78 3.6 Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin  Cự ly thông tin (có tính độ cong trái đất): d = 2aθ = 2𝑎 𝜋 − 𝛽 − 𝑠𝑖𝑛 −1 𝑎 𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑎+𝑕 Ví dụ: Tính cự ly thơng tin cho q trình truyền sóng tầng điện ly lớp có độ cao biểu kiến 200km Góc ngẩng chùm tia anten 20𝑜 Theo trường hợp: + Mặt đất phẳng, mơi trường lý tưởng + Có tính đến độ cong trái đất Biết a = 6370km 79 3.7 Các nhiễu loạn ion Fading  Ở phần trên, tính tốn thực với điều kiện giả định mật độ electron thay đổi ổn định đồng nhất; dự đốn thay đổi theo ngày, mùa …  Tuy nhiên, thực tế, tầng điện ly thể tính bất thường mật độ electron lớp khác nhau, gây nhiễu loạn trình di chuyển tầng điện ly TID (traveling ionspheric disturbances)  Các nhiễu loạn ảnh hưởng nghiêm trọng đến q trình truyền sóng tầng điện ly 80 3.7 Các nhiễu loạn ion Fading  Một số nguyên nhân gây nhiễu loạn ion: + Sóng trọng trường mạnh bầu khí + Các dịng điện plasma bất thường tầng điện ly + Các xạ mặt trời -> bão từ trường (đặc biệt điểm vĩ tuyến cao: gần cực từ trường) + Lớp E rời rạc (sporadic E) với mật độ electron cao -> thường cho qua q trình truyền sóng chiếu lớp E 81 3.7 Các nhiễu loạn ion Fading  Các dạng Fading + Fading xuyên nhiễu (interference fading): sai pha tia sóng + Fading phân cực (polarization fading): xảy tia thông thường tia bất thường kết hợp pha + Fading chọn lựa (selective fading): chất đường tia sóng tầng điện ly khác với tần số khác -> không cần xem xét tất nhiễu loạn -> giới hạn dải hẹp (băng thông 3kHz) * Ghi chú: Fading tượng tăng giảm thường xuyên biến đổi cường độ, đơi có tính chu kỳ, tín hiệu nhận từ nguồn phát xa 82 ... thuộc vào góc tới sóng không phụ thuộc vào độ cao lớp ion 76 3.6 Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin  Thời gian để sóng đạt đến điểm cao đường truyền (điểm C) là: