8. Giảng viên biên soạn
7.1. Một số khái niệm chung
Có hai loại sóng thường thấy trong thực tế là sóng dọc và sóng ngang
Sóng dọc : là sóng truyền lan theo phương chuyển động của nó,( ví dụ như sóng âm thanh truyền trong không khí).
Sóng ngang: là sóng truyền lan theo phương vuông góc phương chuyển động của nó,( ví dụ: phát xạ điện từ là các sóng ngang)
Sóng có thể truyền truyền từ anten phát tới anten thu bằng hai con đường chính: + Bằng tần điện ly (sóng trời)
+ sóng lan truyền sát mặt đất ( sóng đất) Sóng đất bản than được phân thành 2 loại: - Sóng bề mặt
- sóng không gian
Đối với sóng không gian có 3 đường để đi qua khoảng cách giữa anten phát và anten thu đó là;
+ Sóng trực tiếp + Sóng phản xạ từ đất
+ Sóng phản xạ từ tầng đối lưu
7.2 PHÂN LOẠI SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆNTHEO BĂNG SÓNG VÀ THEO PHƯƠNG THỨC TRUYỀN LAN
Theo sự phân loại trước đây,những sóng điện từ nằm trong dải tần số có giới hạn dưới f=103 Hz 9 (tương ứng với λ=300mm) và gới hạn trên f= 1012Hz
( tương ứng với λ= 0,3mm) đều gọi là sóng vô tuyến điện ( hay sóng radio).Các sóng vô tuyến được chia thành 5 băng:
+) Sóng cực dài: f<30kHz (λ>10.000m) +) Sóng dài: f=30kHz ÷ 300kHz (λ= 10.000m ÷ 1000m) +) Sóng trung: f=300kHz ÷ 3MHz (λ= 1000m ÷ 100m)
f= 3MHz ÷ 30MHz (λ= 100m ÷ 10m) +)Sóng cực ngắn:
f= 30MHz ÷ 300.000MHz (λ= 10m ÷ 1mm)
Trong năm gần đây, với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt một số lĩnh vực công nghệ mới dã sử trong những sóng điện từ có tần số vượt quá giới hạn của dải tần số đã trình bày ở trên. Do đó,khái niệm về giới hạn của dải tần số vô tuyến điện cũng cần đc mở rộng hơn. Ngày nay, sóng vô tuyến điện được coi là những sóng điện từ có giới hạn dưới của dải tần số xuống tới 3.103Hz (sóng mili Hz) tương ứng với λ=3.10-8m( sóng ánh sáng).
Sự phân loại như trên là thích hợp cho việ nghiên cứu về truyền sóng.Tuy nhiên để thuận tiện cho việc phân định tần số sử dụng cho các lĩnh vực hoạt động khác nhau,người ta chia nhỏ 5 băng sóng nói trên thành một số băng tần số. Khoảng tần số từ 30Hz đến 3000GHz được chia thành 11 băng tần.
Mỗi băng sóng có đặc điểm truyền lan riêng,nhưng giữa hai băng sóng gần nhau sự biến đổi đặc tính truyền lan của chúng thường là không rõ rệt. Trong môi trường đồng nhất,sóng sẽ lan truyền theo đươngg thẳng với vận tốc không đổi. Khi sóng truyền lan gần mặt đất, sự có mặt của mặt đất bán dẫn điện,mọt mặt gây phản xạ sóng từ mặt đất,làm biến dạng cấu trúc cúa sóng và gây ra hấp thụ sóng trong đất,mặt khác do mặt đất có dạng hình cầu sóng truyền lan trên đó sẽ có hiện tượng nhiễu xạ. Nhưng biết hiện tượng nhiễu xạ chỉ xảy ra rõ rệt đối với những trường hợp khi kích thước của vật chướng ngại có thể so sánh được với bước sóng. Vì vậy chỉ có những sóng dài và sóng cực dài có bước sóng hàng trăm hoặc hàng nghìn mét thì mới thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ quanh mặt đất và dễ dành phát sinh hiện tượng này.tuy nhiên cần chú ý rằng sự nhiễu xạ quanh mặt đất của sóng chỉ có thể xảy ra trên một phần mặt cong của trái đất và cả trong những điều kiện thuận lợi nhất (bước sóng dài nhất) sóng nhiễu xạ cũng không thể truyền lan vượt quá cự ly 300 ÷ 400km
Những sóng vô tuyến điện truyền lan ở gần mặt đất theo đường thẳng hoặc bị phản xạ từ mặt đất hoặc bị uốn đi theo độ cong mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ được gọi là sóng đất. Như vậy sự truyền lan sóng đất có thể bao gồm tất cả các băng sóng đã nêu ở trên.
Ngoài ảnh hưởng của mặt đất ra,sóng còn chụi ảnh hưởng của tầng khí quyển bao quanh trái đất. Hai miền chính có nhiều ảnh hưởng đến truyền lan của
sóng là tầng đối lưu và tầng điện ly. Sau đây chúng ta lần lượt khảo sát tác dụng của hai miền ấy.
Tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp,trải từ mặt đất nên đến độ cao khoảng (10 ÷ 15)km. Đó là môi trường không đồng nhất,tính không đồng nhất của tầng đối lưu có nhiều dạng.Một dạng gây ra sự uốn cong quỹ đạo của tia sóng khi sóng truyền trong đó và tạo khả năng để sóng có thể truyền đi xa trên mặt đất cong.Một dạng không đồng nhất khác gây ra sự khuyếch tán đó có thể đạt tới khoảng cách 1000m kể từ đài phát.
Ảnh hưởng của hiện tượng khuyếch tán chỉ biểu diễn rõ ở những bước sóng ngắn hơn 10m.
Ảnh hưởng của sự uốn cong quỹ đạo sóng do tầng đối lưu biểu hiện rõ ở những sóng có bước sóng dài hơn.
Ngoài ra,trong một số trường hợp,với điều kiện khí tượng thích hợp sẽ phát sinh sự truyền sóng trong tầng đối lưu theo kiểu “ống dẫn sóng” và cho phép những sóng có bước sóng ngắn hơn 3m truyền lan tới những cự ly khoảng (800 ÷ 1000)km
Những sóng vô tuyến điện truyền đi tới các cự ly xa trên mặt đất do khuyếch tán trong tầng đối lưu hoặc do tác dụng ống dẫn sóng của tầng đối lưu được gọi là sóng tầng đối lưu. Như vậy chỉ có những sóng với bước sóng ngắn hơn 10m, mới có thể truyền đi theo dạng sóng này và khi xét sự truyền sóng trong tầng đối lưu chủ yếu là ta xét với băng sóng cực ngắn.
Tầng điện ly là miền khi quyển cao nằm từ độ cao khoảng 60km đến khoảng 600km trên mặt đất. Ở độ cao này mật độ không khí rất nhỏ và chất khí bị ion hóa,tạo nên một số lớn điện tử tự do. Đối với sóng vô tuyến điện, tầng điện ly có thể xem là môi trường bán dẫn điện và sóng có thể phản xạ từ đó. Tính toán và thực nghiệm cho biết rằng tầng điện ly chỉ có thể phản xạ được những sóng ngắn dài hơn 10m. Với các sóng ngắn hơn tầng điện ly là môi trường (trong suốt). Bằng cách phản xạ một lần hoặc nhiều lần trên tầng điện ly,sóng có thể truyền lan tới những cự ly rất xa. Bên cạnh khả năng phản xạ của sóng vô tuyến điện,do tầng điện ly có các miền không đồng nhất nó còn có khả năng khuyếch tán các sóng khi truyền tới. Vì vậy những sóng có tần số rất cao có thể không phản xạ ở tầng điện ly nhưng do khuyếch tán ở các lớp ion hóa nó vẫn có thể truyề tới
Những sóng truyền tới các cự ly xa do phản xạ(một lần hoặc nhiều lần) hoặc do khuyếch tán từ tầng điện ly được gọi là sóng điện ly.
Những sóng truyền lan giữa trạm mặt đất và các vệ tinh bay xung quanh mặt đất hoặc với các con tàu không gian vũ trụ là những sóng không bị tầng điện ly cản trở bằng các hiệu ứng phản xạ hoặc khuyếch tán. Những sóng này chỉ bị hấp thụ trong tầng đối lưu khi trên đường truyền lan có các đám mưa. Sự giảm yếu sóng phụ thuộc vào cường độ mưa và phụ thuộc vào tần số. Tần số sóng càng cao và cường độ mưa càng lớn thì sự suy giảm sóng càng nhiều. Những sóng có tần số cao từ 1GHz trở lên mới thích hợp với điều kiện truyền lan của sóng vũ trụ.
7.3 CÁC DẠNG PHÂN CỰC SÓNG VÔ TUYẾN
Giả sử ở một điểm nào đó của không gian, vecter trường của sóng được biểu thị bởi các thành phần thẳng đứng và nằm ngang EX và EY như hình vẽ dưới
0. os( 1) y y Er =E c ω ϕt− 0. os( 2) Z Z Er =E c ω ϕt−
Các thành phần này có thể khác nhau về pha và về biên độ (do quá trình truyền sóng gây ra). Quan hệ giữa biên độ và giữa pha của các thành phần ấy quyết định các dạng phân cực khác nhau. Có 3 loại phân cực sóng vô tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực tròn, phân cực elip
Nếu pha của các thành phần thẳng đứng và nằm ngang giống nhau hoặc khác nhau 180o thì trường tổng sẽ có dạng phân cực thẳng.
Ví dụ: ϕ ϕ1= 2 =0, các thành phần thẳng đứng và nằm ngang sẽ là: 0. os( 1) y y Er =E c ω ϕt− 0. os( 2) Z Z Er =E c ω ϕt−
Khi ấy trị số biên độ của vector được xác định bởi:
2 2 2 2
0 0. os( . )
Y Z Y Z
E= E +E = E +E c ωt
Còn hướng của E được xác định thông qua α
0 0 ( ) Z Z onst Y Y E E tg c E E α = = =
Trong trường hợp này ta thấy hướng của vector E không biến đổi, độ dài của vector thay đổi theo quy luật os( . )c ωt nhưng đầu mút của vector vẫn luôn nằm trên đường thẳng trùng với phương của vector góc nghiêng α . Đó là hiện tượng
Khi biên độ của các thành phần thẳng đứng và nằm ngang bằng nhau nhưng pha khác nhau 90o, hay 270o trường tổng sẽ có dạng phân cực tròn.
Giả thiết: ϕ1 =0;ϕ2 =90o 0 0 0 Y Z E = E = E Ta có: y =E c0. os( . )ωt 0. os( . ) Z E = E c ωt Biên độ vector tổng: 2 2 0 onst Y Z E= E +E =E =c
Hướng của vector E được xác định bởi góc α :
( ) Z tg( .t) Y E tg E α = = ω Từ đó rút ra: α ω= .t
Trong trường hợp này, vector Ecos biên độ không đổi nhưng hướng của nó thay đổi lien tục theo thời gian với quy luật ω.t. Nói cách khác, vector E quay quanh
gốc của nó trong mặt phẳng yz với vận tốc góc ω. Đầu mút của vector sẽ vạch
ra trong mặt phẳng yz một đường tròn có bán kính bằng độ dài vector. Đó là hiện tượng phân cực tròn.
Trong trường hợp tổng quát khi các thành phần thẳng đứng và nằm ngang của trường có quan hệ và biên độ và phân kỳ, khi ấy trường tổng sẽ có dạng phân cực elip.
Giả thiết một trường hợp đơn giản khi: ϕ1 = 0;ϕ ϕ2 = Ta có: EY = E cY0. os( . )ωt
0. os( . )
Z Z
E = E c ω ϕt−
Đặt A = EY0; C = EZ0.cosϕ; D = EZ0
Ta có thể viết lại các thành phần trường đơn giản dưới dạng : . os( . ) Y E = A c ωt . os( . ) .sin( . ) Z E =C c ωt +D ωt
Ta tìm biểu thức liên hệ các thành phần của trường. Để việc tính toán được thuận tiện ta đưa vào một hệ tọa độ mới quay một góc ψ đối với hệ trục cũ.
Các thành phần trường trong hệ tọa độ mới được kí hiệu là '
Y E và ' Z E , Ta có quan hệ sau: ' . os ' sin . os( . ) Y Y Z E =E c ψ −E ψ = A c ωt
' .sin ' . os . os( . ) .sin( . )
Y Y Z
E = E ψ −E c ψ =C c ωt +D ωt
Giải hệ phương trình với biến số mới '
Y
E và '
Z
E , ta có:
' ( . os .sin ). os( . ) .(sin ).sin( . )
Y
E = A c ψ +C ψ c ωt +D ψ ωt
' ( . os .sin ). os( . ) .( os ).sin( . )
Z
. os .sin . os A c ψ +C ψ = M c γ .sin .sin D ψ =M γ Và: . os .sin .sin C c ψ −A ψ = −N γ . os . os D c ψ =N c γ Thì sẽ có: ' . os( . ) Y E =M c ωt −γ ' .sin( . ) Z E =N ωt−γ Từ cặp phương trình () rút ra được : .sin . os .sin D tg A c C ψ γ ψ ψ = + Từ cặp phương trình () rút ra được: .sin . os . os C A c tg D c ψ ψ ψ ψ − = So sánh () và () ta tìm được góc quay ψ : 2 2 2 2 2. .A C tg A C D ψ = + +
Như vậy nếu chọn góc quay ψ theo () ta có thể đưa biểu thức của '
Y
E và '
Z
E
đến dạng đơn giản () và ().
Từ biểu thức () và () ta tìm được mối quan hệ giưa hai thành phần thẳng đứng và nằm ngang của trường.
' 2 ' 2
2 2 1
y z
E E
M = N =
BIểu thức này là dạng chính tắc của phương trình elip với các bán trục N và M. Như vậy khi vector trường biến đổi theo thời gian, đầu mút của nó sẽ vạch nên một đường elip. Đó là hiện tượng phân cực elip của trường. Trường hợp M = N, phân cực elip sẽ biến thành phân cực tròn.
Khí một trong hai bán trục tiến tới vô cùng bé thì phân cực elip biến thành phân cực đường thẳng
7.4 PHÂN TÍCH CÁC ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG TỪ ANTEN PHÁT TỚI ANTEN THU
I. Các loại song đất
Sóng là sóng ko bị thăng giáng bởi tầng điện ly tức là sóng bề mặt và sóng không gian.
a) Sóng Bền Mặt: khi truyền sóng bề mặt,năng lượng sóng lướt sóng lướt trên bề mặt đất gần như sóng đi dọc theo đường dây.Phương pháp truyền sóng này chỉ sử dụng đối với các tần số vô tuyến tương đối thấp dưới 30 KHz.Khi tăng tần số thì tiêu hao do đất tăng nhanh,vì tiêu hao phụ thuộc vào hằng số điện dẫn và điện môi hiệu dụng của đất.Trên 30KHz đất có tác dụng như một dây dẫn kém và tiêu hao là quá cao đối với songa VHF,UHF,SHF.
b) Sóng Không Gian: Phương thức truyền sóng này được sử dụng cho tất cả các hệ thống thông tin viễn thông (vi ba số,điện thoại di động nhắn tin…).Năng lượng truyền từ anten phát tới anten thu theo một đường thẳng hoặc phản xạ ở mặt đất hoặc phản xạ từ tầng đối lưu.Sóng không gian là một loại sóng quan trọng trong thông tin VHF,UHF,SHF.
1) Sóng trực tiếp:
Sóng này phát xạ trực tiếp từ anten phát tới anten thu mà không bị phản xạ ở đâu cả.Trong các điều kiện truyền lan bình thường nó có biên độ lớn hơn so với một sóng bất kỳ nào đến máy thu.
II. Sóng phản xạ đất:
Hình vẽ 7.1
Sóng này đến anten thu sau khi phản xạ một vài lần từ mặt đất hoặc từ các
Sóng đất
1
Sóng điện ly
2
Sóng xuyên qua tầng điện ly không quay
lại 3 ATP 1 2 3 ATT 1 2 3 4 5 ATP ATT Tầng điện ly Tầng đối lưu 4 4 ATP ATT Tầng nhiễu xạ Tia tán xạ Tia trực tiếp Tia phản xạ Tia mặt H1 H2 H3
mà còn có thể xuất hiện trên mặt phẳng ngang,như vậy sóng bị phản xạ từ một vật cản sẽ lệch so với đường chính.Sóng phản xạ sẽ có biên độ và pha khác nhau giữa chúng có biên độ và pha khác với biên độ và pha của sóng trực tiếp.Nếu khoảng cách truyền lan lớn hơn mọt số lẻ bước sóng thì anten thu sóng phản xạ lệch pha so với sóng trực tiếp một góc 1800 và kết quả là triệt tiêu sóng tới đến một mức độ nào đó.Mức độ đó phụ thuộc vào biên độ của sóng phản xạ.
4. Sóng phản xạ từ tầng đối lưu:
Do thay đổi chỉ số khúc xạ của không khí theo độ cao so với mặt đất nên sóng có thể bị tạp âm và tùy theo góc sóng tới có thể xảy ra phản xạ toàn phần từ tầng đối lưu.Trong trường hợp này xuất hiện một biên giới có tác dụng như một bề mặt phản xạ,gửi sóng trở lại mặt đất.Một số tia này sẽ
đến được anten thu,ở đây có thể khử bớt sóng trực tiếp do có sự thay đổi pha và biên độ gây ra do phản xạ.
7.5 CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN SÓNG
Có ba loại cơ chế truyền sóng đó là: + khúc xạ sóng
+ Nhiễu xạ sóng + Phản xạ sóng
a.Khúc Xạ
Trong quá trình truyền lan sóng điện từ có thể bị khúc xạ khi đi từ một môi trường có chỉ số khúc xạ này sang một môi trường có chỉ số khúc xạ khác. - Trong bầu khí quyển sự thay đổi của chỉ số khúc xạ phụ thuộc vào mật độ không khí,mặt khác mật độ không khí giảm theo độ cao.
- Với tần số công tác trên 30 MHz thì lượng nước trong không khí đóng vai trò chủ yếu trong sự thay đổi chỉ số khúc xạ,vì hằng hằng số điện môi của nước xấp xỉ 8 lần so với không khí.
- Trong bầu khí quyển bình thường thì độ ẩm hoặc khối lượng hơi nước trên một đơn vị khối lượng không khí là không đổi.Điều này có nghĩa rằng hằng số điện môi và chỉ số khúc xạ cả 2 sẽ giảm liên tục khi tăng độ cao.
- Chỉ số khúc xạ n của không khí chỉ cần thay đổi vài phần triệu đã có thể ảnh hưởng đến đến sự lan truyền của sóng vô tuyến.
Độ khúc xạ N được xác định:
N= (n-1).106
Trong đó: N là độ khúc xạ sóng