MF
Hình 3.4: Hiện tượng pha đinh
Đài phát phát Đài thu mư a (1) (2)
Hình 3.5: Phân tập theo không gian
• Phân tập theo tần số :
• Người ta sử dụng một anten phát và một anten thu (thu phát cùng một tín hiệu nhưng trên hai hay nhiều tần số khác nhau), cùng trên một băng tần. Nếu khoảng cách giữa các tần số xa nhau thì đường đi của các tia sóng độc lập khác nhau dẫn tới trường tín hiệu điểm thu không bị pha đinh.
• Kết hợp 2 phương pháp phân tập theo tần số và phân tập theo không gian. • Đưa ảnh hưởng của pha đinh vào tính toán đường truyền.
Người ta tính toán được rằng, mức độ ảnh hưởng của pha đinh đến năng lượng của sóng truyền đến đượcnằm trong khoảng 10÷30dB. Khi thiết kế, lắp đặt đường truyền người ta sẽ xem xét đến đặc điểm khí tượng và địa hình để lấy giá trị ảnh hưởng của pha đinh thích hợp đưa vào công thức tính toán đường truyền sóng.
3.1.4.Ảnh hưởng của mưa đến quá trình truyền sóng.
Mưa ảnh hưởng rất xấu đến quá trình truyền sóng, nó làm cho sóng bị phân tán, năng lượng truyền đến điểm thu bị suy giảm. Ảnh hưởng của mưa đến truyền sóng với những sóng có bước sóng λ > 10cm.
Hình 3.6: Ảnh hưởng của mưa đến quá trình truyền sóng
Biện pháp khắc phục :
- Sử dụng những sóng có λ > 10cm. - Chia nhỏ đường truyền thông tin.
- Đưa ảnh hưởng của mưa vào việc tính toán đường truyền. Theo tính toán ta có :
Khi mưa to : + λ > 10cm suy hao do mưa là 0,22 dB/Km SVTH: Trần Thị Minh Hoa
+ λ < 10cm suy hao do mưa là 0,4 dB/Km
3.1.5.Ảnh hưởng của cự ly truyền sóng.
Sóng truyền càng xa thì càng yếu, do mất năng lượng. Mức độ suy hao của sóng truyền lan trong môi trường không gian tự do được đánh giá theo biểu thức :
4 20lg( ) L L a π λ = (dB) (3.18)
Từ công thức trên cho ta thấy bước sóng càng ngắn (λ nhỏ) tần số càng cao thì càng bị suy hao.
3.1.6.Các dạng khúc xạ và các phương thức truyền sóng trong tầng đối lưu. a.Các dạng khúc xạ.
- Khúc xạ dương : dN 0
dH > (không xảy ra trong tầng đối lưu) - Khúc xạ âm : dN 0
dH <
- Khúc xạ thương : dN 0,043( )1
dH = − m R=25000km atd =8500km a Hình 3.7: Khúc xạ thương
- Khúc xạ tới hạn :
SVTH: Trần Thị Minh Hoah h O No N R h O No N a td=
Hình 3.8: Khúc xạ tới hạn - Siêu khúc xạ : dN 0,157( )1
dH < m
R < a ; atd <0
Hình 3.9 :Siêu khúc xạ R<a Hình 3.10: Siêu khúc xạ atd <0
b.Các phương thức truyền sóng trong tầng đối lưu.
- Truyền sóng trong tầm nhìn thẳng :
Là phương thức cơ bản trong tầng đối lưu. Truyền trong tầm nhìn thẳng đó chính là trường hợp anten đặt cao nên các kết quả của anten đặt cao đều áp dụng được truyền trong tầm nhìn thẳng.
- Truyền sóng siêu khúc xạ (truyền sóng ống dẫn sóng tầng đối lưu).
Khi có hiện tượng siêu khúc xạ tia sóng lên đến lớp siêu khúc xạ, sau khi khúc xạ đủ điều kiện nội phản xạ quay trở về mặt đất. Lúc này mặt đất bán dẫn điện nên tia sóng tiếp tục phản xạ, giữa mặt đất và lớp siêu khúc xạ tia sóng được phản xạ liên tục như ở trong ống dẫn sóng tầng đối lưu.Ở đây, “ống dẫn sóng tầng đối lưu” cũng có bước sóng tới hạn. Bước sóng tới hạn này cũng có quan hệ với chiều cao ho của các miền siêu khúc xạ bởi hệ thức gần đúng :
λth = 8,5. ho3,2 .10-4 (3.19)
Bảng 3.2 cho ta biết bước sóng tới hạn của “ống dẫn sóng tầng đối lưu” ứng với một số độ cao khác nhau :
Bảng 3.2: Bước sóng tới hạn của “ống dẫn sóng trong tầng đối lưu”
ho (m) 6 24 120 600 λth (m) 0,01 0,1 1 10 SVTH: Trần Thị Minh Hoa R a atd<0
Thực nghiệm cho thấy chiều cao ho của các miền siêu khúc xạ thường vào khoảng vài mét, chưa thấy có trường hợp nào lớn hơn 200m. Như vậy, trong “ống dẫn sóng tầng đối lưu” chỉ có thể truyền đi các sóng cực ngắn, chủ yếu là sóng decimet và centimet. Trong một số trường hợp đặc biệt nó cũng có thể truyền đi những sóng có bước sóng lớn hơn, vào khoảng 2 – 3m.
Điều kiện phát sinh “ống dẫn sóng tầng đối lưu” là khi : 1
0,157( )
dN
dH < m (3.20)
Điều kiện này sẽ xảy ra khi có hiện tượng đảo nhiệt hay khi nhiệt độ giảm mạnh theo độ cao, nhưng chủ yếu là do hiện tượng đảo nhiệt. Thường quan sát thấy các hiện tượng nói trên ở những miền có áp suất cao hay khi trời đẹp.
Ở khu vực xích đạo hay có những trận mưa lớn khuấy động bầu không khí nên hiện tượng này ít xảy ra, còn ở miền nhiệt đới và ôn đới hay quan sát thấy.
- Truyền sóng siêu khúc xạ đi được cự ly rất xa : không phụ thuộc vào độ cao của anten và bán kính trái đất. Hiện tượng này rất có lợi nhưng không được khai thác vì không ổn định.
- Truyền sóng tán xạ (truyền sóng khối)
+ Hiện tượng tán xạ của sóng : trong tầng đối lưu luôn tồn tại hơi nước dưới tác
động của sóng điện từ (điện trường ngoài) làm cho các phân tử nước phân li tạo thành lưỡng cực. Trong lưỡng cực có dòng cảm ứng gây nên tổn hao dạng nhiệt trong các phân tử nước và tạo ra bức xạ thứ cấp.
2 2 240 ( )l 40 ( )l
P∑ = π I
λ (3.21)
Các hiện tượng này đều gây ra tổn hao của sóng trên đường truyền (bức xạ về
mọi hướng tán xạ). Nếu tỉ số λl lớn thì P tăng làm cho tổn hao càng nhiều, khi đó hạt nước lớn , tần số cao, nên bước sóng λ giảm nhỏ.
+ Truyềnsóng tán xạ : trong tầng đối lưu luôn luôn có hiện tượng tán xạ. Dựa vào
tính chất tán xạ để xây dựng tuyến truyền sóng tán xạ.
Xây dựng tuyến bằng cách tại 2 điểm ta đặt 2 anten cao cho đồ thị phương
hướng của nó chung nhau 1 thể tích V, đồng thời V cũng là môi trường tán xạ tốt. Khi
một trong hai anten làm việc thì các phần tử nằm trong đồ thị phương hướng anten đó tán xạ.Những phần tử nằm trong thể tích V được anten còn lại nhận về và thiết lập thành tuyến thông tin gọi là thông tin tán xạ.
Thực tế công suất bức xạ thứ cấp càng lớn hiệu quả thông tin càng tăng cao,công suất P máy phát lớn, λ bé (tần số lớn).Rất khó để đạt được 2 yêu cầu trên.Trên tuyến thông tin không có truyền sóng tán xạ mà chỉ có hệ thống tương đương tán xạ đó là hệ thống anten thụ động.
3.2.Truyền sóng trong tầng điện ly.
3.2.1.Cấu tạo.
Đặc điểm : Tầng điện ly là tầng ngoài cùng của khí quyển trái đất, nằm ở độ cao từ 60 đến 600km.
Hình 3.11: Cấu tạo tầng điện ly
Do là tầng khí quyển ngoài cùng nên tầng điện ly chịu ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ năng lượng mặt trời, của các dòng hạt vũ trụ và các tác động năng lượng khác làm cho khí quyển bị ion hóa.
Những số liệu quan trắc thực nghiệm cho biết, từ mặt đất lên độ cao khoảng 90km, tầng khí quyển có thành phần giống như trên mặt đất, bao gồm :
N2 78,08% O2 20,09% Ar 0,94% SVTH: Trần Thị Minh Hoa Tầng điện ly 600Km Tầng Ozon 60Km Tầng bình lưu 30Km Tầng đối lưu 15Km Mặt đất
CO2 0,03%
H2 0,01%
Ne 0,012%
H 0,004%
Các thành phần khí quyển tuy có thể xem là như không đổi song nhiệt độ,độ ẩm, mật độ diện tích lại biến đổi theo độ cao.
Do sự khác nhau như vậy nên nó lại được chia ra thành các tầng (hình 3.11). Từ độ cao 90km trở lên dưới tác động của năng lượng mặt trời các phân tử này sẽ bị phân ly thành các nguyên tử :
O2 + ћw →O + O N2 + ћw → N + N
ћ : Có quan hệ với hằng số Plank ћ = 2hπ = 1.05 .10-27 (3.22) Như vậy tầng điện ly là tầng bán dẫn điện.
Tuy vậy mật độ trong tầng điện ly không đồng đều, có giá trị trong khoảng 102 →106 điện tích/1 cm3 và được phân bố không đồng đều theo độ cao.
Càng ở độ cao lớn thì các nguyên tử (hay phân tử) càng bị ion nhiều, có hai dạng chủ yếu ion hóa là ion hóa do hấp thụ bức xạ quang của mặt trời và ion hóa do va chạm ( khi các hạt chuyển động có năng lượng lớn, khi va chạm với phân tử hay nguyên tử sẽ giải phóng ra các điện tử).
Hình 3.12: Mật độ điện tích
SVTH: Trần Thị Minh Hoa
300Km
Số điện tích/1Cm2
( Mật độ điện tích N,O đã được phân ly)
Áp suất trong tầng điện ly giảm theo độ cao. Nhiệt độ tăng theo độ cao vì là tầng khí quyển cao nhất chịu ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ mặt trời → nhiệt độ lớn, năng lượng lớn làm cho các phân tử khí phân li thành các điện tử ion và hình thành nên tầng điện ly.
• Nguyên nhân phân ly của các phân tử khí chủ yếu do năng lượng bức xạ của mặt trời lớn gây nên hiện tượng phân ly của các phân tử khí. Ngoài ra còn có bức xạ của các vì sao cũng làm cho các phân tử khí phân ly. Nhưng do các vì sao ở xa nên khi đến tầng điện ly năng lượng bé, hiện tượng phân ly xảy ra ít.
• Chuyển động của các thiên thạch khi rơi vào tầng khí quyển → va chạm giữa thiên thạch với chất khí → cung cấp điện năng cho phân tử → phân tử khí phân li. • Bên cạnh hiện tượng phân li còn có hiện tượng tái hợp do các điện tử và ion chất khí luôn luôn chuyển động→ va chạm giữa điện tử và ion tạo ra các phân tử trung hòa làm cho mật độ điện tử giảm. Hai hiện tượng xảy ra đồng thời với nhau dẫn đến mật độ điện tử đi về trạng thái ổn định → hình thành các lớp có mật độ điện tử khác nhau.
• Nguyên nhân ion hóa các chất khí ở độ cao lớn.
Quá trình ion hóa tức là làm tách ra khỏi lớp vỏ ngoài của nguyên tử một hay một vài điện tử. Nguyên tử mất cân bằng về điện và nó sẽ mang điện tích. Những điện tử nằm ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử chịu một sức hút của hạt nhân nên để tách nó ra cần phải thực hiện một công nhất định, gọi là công ion hóa. Đối với các chất khí trong thành phần khí quyển công ion hóa được cho ở bảng 3.3 :
Bảng 3.3: Công ion hóa của một số chất khí
Chất khí O2 O N2 N He Hr H
Công ion hóa W(Ev) 12,50 13,55 15,50 14,50 24,46 15,40 13,53
Bước sóng ion hóa λ(Å) 990 910 860 850 500 850 910
Có hai dạng ion hóa là ion hóa do quang học (hấp thụ bức xạ quang của mặt trời) và ion hóa do va chạm (các hạt chuyển động có động năng lớn khi va chạm với nguyên tử hay phân tử sẽ giải phóng ra các điện tử). Nguồn gốc chủ yếu của cả hai
dạng ion hóa này là bức xạ mặt trời. Bình thường, bức xạ của mặt trời bao gồm cả bức xạ quang lẫn bức xạ hạt. Bức xạ quang của mặt trời sẽ gây ra quang hóa, còn bức xạ hạt, một mặt có thể gây ion hóa do va chạm; mặt khác, bản thân các điện tử phát ra từ mặt trời sẽ tăng cường thêm mật độ điện tử cho tầng điện ly.
Các nguyên nhân ion hóa chất khí ở độ cao lớn như sau: - Bức xạ quang của mặt trời.
Đây là nguyên nhân có tác động lớn nhất đến quá trình hình thành tầng điện ly. Mặt trời với nhiệt độ khoảng 6000oC và bức xạ sóng điện từ, những tia bức xạ có năng lượng lượng tử lớn hơn công ion hóa thì sẽ gây ion hóa chất khí.
Nghĩa là để ion hóa một chất khí nào đó có công ion hóa W thì tia bức xạ phải có : ћw ≥W. Trong đó : W=2Πf là tần số góc của tia bức xạ tác dụng lên chất khí.
ћ = 2hπ = 1.05 .10-27 (ec-giây) - Bức xạ hạt của mặt trời.
Bên cạnh bức xạ quang, mặt trời còn phát ra các dòng hạt gồm các điện tử, ion dương và các trung hòa tử, trong đó chủ yếu là các điện tử. Những hạt có động năng lớn khi bắn vào các nguyên tử hay phân tử sẽ giải phóng các điện tử làm cho chúng bị ion hóa. Điều kiện để ion hóa do va chạm được biểu thị bằng công thức :
m1 v12 /2 >W
Trong đó : m1 và v1 là khối lượng và tốc độ của hạt chuyển động.
Qua tính toán người ta cho biết rằng nếu hạt có khối lượng của điện tử thì muốn ion hóa được chất khí nó cần có tốc độ v1 > 2000km/s.
- Bức xạ của các vì sao.
Bên cạnh bức xạ mặt trời, các vì sao cũng là những nguồn ion hóa. Một số vì sao có nhiệt độ khoảng 200000K nên có bức xạ tia tử ngoại khá mạnh. Nhưng do chúng ở quá xa trái đất nên tác dụng ion hóa của chúng đối với khí quyển trái đất chỉ hạn chế, chỉ vào khoảng phần nghìn tác dụng bức xạ của mặt trời, nhưng đó là nguồn tạo ra lớp ion hóa ở các miền cực và nó có tác dụng chủ yếu vào mùa đông.
- Chuyển động của các thiên thạch.
Các thiên thạch khi rơi vào vùng khí quyển trái đất, do có tốc độ rất cao(11km/s → 73km/s) chúng bị ma sát và bốc cháy, vật chất của thiên thạch bốc hơi, những nguyên tử của chất ấy sẽ có vận tốc rất cao và cũng là một nguyên nhân có thể ion hóa khí quyển xung quanh vùng chúng va chạm.
Qua nghiên cứu người ta cho rằng, sự xuất hiện của thiên thạch là rất ngắn, các hạt rất nhỏ. Ra đa quan sát số lượng thiên thạch rơi vào khí quyển trái đất cho thấy rằng mỗi giây có khoảng 1 hạt có khối lượng 1gr, 10 hạt có khối lượng 10-1 gr, 100 hạt có khối lượng 10-2 gr ; 103 hạt(10-3 gr) ; 104 hạt(10-4 gr) ; 105 hạt( 10-5 gr). Để nói lên tác động ion hóa của các nguyên nhân đã tạo nên tầng điện ly, qua nghiên cứu, thực nghiệm, quan sát, người ta đã lập một bảng chỉ khái niệm các nguyên nhân ion hóa ở bảng 3.4 như sau :
Bảng 3.4: Các nguyên nhân ion hóa
Nguồn ion hóa Độ cao
(Km)
Cường độ ion hóa (điện tử/cm3)
Bức xạ tia tử ngoại 100 250
250 800
Bức xạ tia Rơn ghen 100 250
Các vì sao 250 1
Tia vũ trụ 100 10-5
Bức xạ hạt của mặt trời - Chưa đánh giá
Bụi vũ trụ - Chưa đánh giá
3.2.2.Các nguyên nhân hình thành nên các lớp – Đặc điểm của các lớp trong tầng điện ly.
3.2.2.1.Nguyên nhân:
- Do phân bố của áp suất, nhiệt độ không đều theo độ cao.
- Lớp thấp nhất nhiệt độ bé, năng lượng để các phân tử phân li bé, áp suất lớn, tần số va chạm lớn nên tái hợp nhanh và có mật độ điện tử bé.
- Lớp cao nhất nhiệt độ lớn, áp suất nhỏ, mật độ chất khí ít nên mật độ điện tử trong đó bé. Ở lớp có áp suất đủ lớn và nhiệt độ lớn thì mật độ điện tử lớn.
- Do phân bố O N2, 2 không đều theo độ cao. Năng lượng để cho O N2, 2 phân ly
khác nhau, xuất hiện, hình thành các lớp khác nhau.
3.2.2.2.Đặc điểm các lớp trong tầng điện ly.
Hình 3.13: Các lớp trong tầng điện ly