SVTH: Trần Thị Minh Hoa 4 F

- Lớp D: Là lớp thấp nhất của tầng điện ly Việc nghiên cứu lớp này tương đối khó vì không thể dùng phương pháp thăm dò vô tuyến điện thông thường Để khảo

SVTH: Trần Thị Minh Hoa 4 F

4 F E D 1 3 2 3' B C A D Hình 3.18: Các lớp phản xạ

Ban ngày, mật độ điện tử của các lớp được tăng cường. Sự tăng cường mật độ điện tử ở các lớp thấp sẽ làm tăng hấp thụ đối với sóng ngắn. Vì vậy, giới hạn dưới của dải tần phải được nâng cao lên. Mặt khác, do mật độ điện tử của lớp F được tăng cường nên tần số cực đại cũng được tăng cao. Ngược lại, ban đêm do mật độ điện tử ở các lớp giảm nhỏ nên tần số cực đại giảm nhỏ và vì mật độ điện tử giảm, hấp thụ giảm nên tần số thấp nhất cũng có thể giảm theo.

Trong thực tế sử dụng người ta thường chọn bước sóng công tác cho máy phát có bước sóng như sau :

- Ban ngày : λ = 10 ÷35m. - Ban đêm : λ = 35 ÷ 100m.

b.Miền im lặng.

Khi thông tin sóng ngắn, trong quá trình khảo sát người ta thấy hiện tượng sau : khi dịch chuyển điểm thu xa dần đài phát, đến một cự ly nào đó thì không thu được (với những sóng có bước sóng ngắn hơn 50m, cự ly này vào khoảng 100km). Nếu cứ dịch chuyển xa nữa thì lại thu được cho đến một cự ly rất xa, vài ngàn km. Vùng bán kính trong đó tín hiệu bị mất, không thu được chính là “miền im lặng”. Sự xuất hiện miền im lặng đã được giải thích ở mục “ảnh hưởng của tầng điện ly đến quá trình truyền sóng ngắn”

c.Hiện tượng pha đinh sóng ngắn.

Trong quá trình thu sóng ngắn, ta thường thấy có hiện tượng lúc thu to, lúc nghe rất yếu và có lúc lặng hẳn tín hiệu một cách thất thường. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng “pha đinh”.

Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự giao thoa giữa các sóng trời chuyển tới điểm thu bằng những điểm khác nhau. Tín hiệu sóng tới điểm thu, sóng có thể phản xạ một hoặc nhiều lần (hình 3.19 a), chính sự phản xạ khác nhau này sẽ làm quãng đường đi của sóng thay đổi dài ngắn khác nhau. Sự biến đổi liên tục mật độ điện tử của tầng điện ly sẽ dẫn đến sự biến đổi độ dài đường đi của các tia sáng, do đó làm biến đổi hiệu số pha giữa chúng.

Người ta đã chứng minh được rằng, độ dài của hai tia khác nhau một đoạn 0,5λ (5÷ 50m với sóng ngắn), thì pha của chúng khác nhau 1800.

Ngoài ra ,hiện tượng pha đinh còn xảy ra do sự giao thoa của những tia nằm trong chùm khuếch tán khác nhau (hình 3.19 b).

Do cấu tạo của tầng điện ly không đồng nhất, một tia đơn có thể sẽ bị khuếch tán thành một chùm tia. Vì vậy, ở điểm thu có thể nhận được những tia trong chùm tia khuếch tán của những tia đơn khác nhau và sự giao thoa giữa chúng với góc pha biến đổi cũng là hiện tượng pha đinh.

Để khắc phục hiện tượng pha đinh ,người ta có nhiều biện pháp khác nhau : - Có thể dùng anten thu với đồ thị phương hướng thật hẹp và sẽ định hướng như thế nào đó để nó chỉ thu được một tia sóng tới. Nhưng vì góc tới của sóng biến đổi luôn theo thời gian ngày, đêm nên cần phải xem xét đến khả nảng biến đổi hướng cực đại của đồ thị phương hướng của anten. Anten như vậy sẽ rất phức tạp và cồng kềnh.

- Phương pháp dùng anten phân tập, hình thức đặt nhiều anten thu phát cách xa nhau một khoảng nào đó để cùng thu một tần số. Hay dùng nhiều anten phát đặt cách xa nhau để cùng phát một tín hiệu cùng tần số. Ta có thể hiểu là dùng nhiều anten thu (hoặc phát) phân tán tín hiệu rồi xử lý tập trung tại một chỗ. Đó chính là nguyên tắc phân tập tần số (nghĩa là thu phân tán và xử lý tập trung).

d.Hồi âm sóng. SVTH: Trần Thị Minh Hoa 2' 1 2 A B A B (b)

(a) Hình 3.19: Hiện tượng pha đinh sóng ngắn

Với những điều kiện thuận lợi, sóng ngắn có thể truyền lan đi rất xa bằng cách phản xạ nhiều lần giữa tầng điện ly và mặt đất. Đôi khi sóng có thể truyền lan vòng quanh trái đất một hoặc nhiều lần. Vì vậy, ở điểm thu ngoài việc thu được một tín hiệu chính ta còn nhận được tín hiệu đến chậm. Đó chính là tín hiệu gây hiện tượng hồi âm.

Tín hiệu hồi âm có hai dạng : hồi âm thuận và hồi âm nghịch.

- Hồi âm thuận (hình 3.20 a) là sóng đi theo đường truyền lan thuận có nghĩa là sau khi đi qua điểm thu, sóng tiếp tục phản xạ đủ một vòng nữa và lại gặp điểm thu (khoảng 0,1s).

- Hồi âm nghịch (hình 3.20 b) là tín hiệu sóng đi vòng theo chiều ngược lại với chiều truyền lan chính. Tín hiệu có thể đến điểm thu bằng hai đường, một đường đi theo cung nhỏ còn một đường đi theo cung lớn của vòng tròn trái đất.

Độ dài của hai đường đi có thể khác nhau nhiều và sẽ xảy ra hiện tượng sóng đến không đồng thời( với độ dài khác nhau 1000km, sẽ đến chậm 0,003s).

Vì cường độ hồi âm có thể lớn, nên tín hiệu hồi âm có thể không khác tín hiệu chính nhiều lắm. Đối với vô tuyến điện thoại analog, tín hiệu hồi âm sẽ gây ra những tiếng lặp lại, còn đối với tín hiệu số hồi âm sẽ gây ra lỗi.

e.Sự khuếch tán sóng ngắn tại mặt đất.

Những năm gần đây, các công trình nghiên cứu sóng ngắn đã cho biết vấn đề khuếch tán của sóng ngắn khi phản xạ tại mặt đất. Giả sử sóng phản xạ từ tầng điện

SVTH: Trần Thị Minh Hoa

(a) (b)

Hình3.20: Hiện tượng hồi âm

Phát

ly và phản xạ trở về mặt đất tại điểm B.Nếu ở B, cấu tạo địa lý của mặt đất không bằng phẳng mà lồi lõm (rừng núi, biển…), vì vậy, khi sóng chạm mặt đất sẽ không phản xạ theo qui luật thông thường mà phản xạ khuếch tán theo tất cả các hướng (hình 3.21). Các tia khuếch tán sẽ truyền lan theo các hướng khác nhau. Trong số những tia ấy sẽ có một số tia quay trở lại, phản xạ trên tầng điện ly và trong số đó sẽ có tia quay lại đài phát.

A B

Hình 3.21: Sự khuếch tán sóng ngắn tại mặt đất

Hiện tượng khuếch tán khi phản xạ từ mặt đất được ứng dụng trong việc thăm dò tầng điện ly theo góc xiên và cho phép xác định được nhanh chóng các thông số cần thiết của một đường thông tin. Trước khi thông tin một thời gian ngắn, người ta có thể phát đi những tín hiệu thăm dò. Dựa vào những tín hiệu phản xạ khuếch tán, có thể xác định tần số sử dụng cao nhất của đường thông tin một cách khá chính xác. Đồng thời, căn cứ vào cường độ của tín hiệu phản xạ có thể xác định được cường độ trường tại điểm thu.

Phương pháp thăm dò xiên dựa vào hiệu ứng khuếch tán của sóng phản xạ được gọi là phương phăp thăm dò xiên khứ hồi.

Ưu điểm của phương pháp này là ngoài việc xác định được nhanh chóng tần số công tác, còn có thể kiểm tra tần số công tác trong suốt thời gian thông tin để có biện pháp thay đổi tần số kịp thời, đảm bảo thông tin nhất là trong thời gian có nhiễu loạn điện ly.

f.Nhiễu loạn tầng điện ly gây gián đoạn thông tin.

Qua nghiên cứu, người ta thấy rằng, nguyên nhân của gây nhiễu loạn tầng điện ly làm ảnh hưởng thông số sóng ngắn là do quá trình xảy ra của mặt trời gây nên.

Nhiễu loạn điện ly có thể chia làm 2 loại: bão từ - điện ly và sự hấp thụ bùng nổ đột ngột.

1.Bão từ - điện ly : hoạt động của mặt trời luôn luôn kèm theo với bức xạ quang và bức xạ hạt. Trong trường hợp khi mặt trời tăng cường hoạt động mạnh (xảy ra các vụ nổ lớn trong hệ mặt trời ), bức xạ hạt, bức xạ quang của nó cũng tăng cường. Những bức xạ này làm ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình ion hóa khí quyển tầng điện ly, làm thay đổi cấu tạo của lớp điện tử bị rạn nứt. Bão từ - điện ly là do tác dụng của các dòng hạt có cường độ mạnh gây ra. Những dòng hạt này khi rơi đến gần trái đất sẽ chuyển động theo hình xoắn ốc dọc theo các đường sức từ của từ trường trái đất và hướng tới miền cực. Các hạt khi thâm nhập vào tầng khí quyển không những chỉ gây tác dụng ion hóa chất khí mà còn đốt nóng bầu khí quyển, làm giảm mật độ khí quyển và do đó làm giảm mật độ điện tử của tầng điện ly.

Với những dòng hạt mạnh, tác dụng đốt nóng tầng khí quyển sẽ lớn hơn tác dụng ion hóa, đặc biệt là đối với lớp vỏ ngoài của khí quyển (lớp F). Khi ấy chiều cao của lớp F sẽ tăng lên, cấu tạo của lớp không khí còn là một màn kín, đồng nhất mà nó bị nứt rạn,có cấu tạo như những đám mây điện tử và mật độ giảm đi. Do vậy, việc phản xạ của sóng ngắn trở nên rất khó khăn, nhiều khi không thực hiện được nên thông tin bị gián đoạn.

Ban đầu, bão từ - điện ly xảy ra ở các miền cực, với cường độ mạnh vì ở đây là nơi trực tiếp nhận được các dòng hạt rơi vào khí quyển trái đất. Sau đó, bão lan dần xuống các vĩ độ thấp hơn và với cường độ nhỏ hơn. Mỗi trận bão từ - điện ly có thể xảy ra một vài ngày hoặc đến cả tuần và khi bão chấm dứt, tình trạng tầng điện ly phải sau một thời gian dài mới trở lại bình thường.

Ngày nay, vấn đề dự báo tình trạng bão từ - điện ly đã có thể thực hiện được trước một thời gian khá dài từ vài ngày đến cả tuần lễ và cũng có thể thực hiện được trước vài giờ khi có bão xảy ra.

Phương pháp đảm bảo thông tin khi có bão từ xảy ra là :

- Giảm nhỏ tần số công tác

- Định hướng sóng không đi qua vùng có bão từ

2. Sự hấp thụ bùng nổ đột ngột : giống như bão từ, trong thời gian hoạt động tăng cường của hệ mặt trời, bức xạ tia tử ngoại cũng tăng cường mạnh. Những bức xạ này có bước sóng rất ngắn (dưới 1000 A0) nên có khả năng thâm nhập rất lớn, chúng có thể xuyên xuống những lớp thấp nhất của khí quyển, gây nên sự ion hóa mạnh trong lớp D.

Sự tăng mật độ điện tử ở lớp D làm tăng cường sự hấp thụ sóng và phá hoại thông tin sóng ngắn. Đối với sóng dài và sóng trung thì kết quả sẽ ngược lại. Do mật độ điện tử lớp D tăng cường, sự phản xạ của sóng dài và sóng trung sẽ tốt hơn.

Sự tăng cường ion hóa của lớp D thường do những vụ nổ sắc cầu gây ra, nó có thể xảy ra kèm theo hoặc không kèm theo với bão từ - điện ly.

Thời gian xảy ra hấp thụ bùng nổ thường là ngắn trong khoảng vài phút đến vài giờ và chỉ có thể phát sinh trong miền sáng của trái đất.

Khi các vụ nổ trên sắc cầu chấm dứt, hiện tượng tăng cường ion hóa cũng lập tức chấm dứt, tình trạng của tầng điện ly có thể nhanh chóng trở lại bình thường và việc thông tin bằng sóng ngắn lại được khôi phuc trở lại.

Trong quá trình xảy ra hiện tượng trên, để thông tin không bị gián đoạn ta chỉ cần khắc phục bằng cách chuyển đổi tần số làm việc (tức là chuyển sang dùng những sóng ngắn hơn trong băng sóng ngắn) hay chuyển phương thức truyền sóng ngắn sang sóng dài.

3.3.2.2.Tính toán đường truyền thông tin sóng ngắn.

Dựa trên những đặc điểm của thông tin sóng ngắn, để thiết lập một kênh thông tin sóng ngắn có hiệu quả cao, ta phải thực hiện tốt hai nhiệm vụ cơ bản sau :

- Xác định diễn biến ngày của tần số sử dụng cao nhất (MUF – Maximum Usable Frequency).

- Xác định cường độ trường ở điểm thu , hay xác định diễn biến ngày của tần số sử dụng thấp nhất (LUHF – Lowest Usable High Frequency).

a.Xác định tần số sử dụng cao nhất MUF.

Qua nghiên cứu, người ta đưa ra phương thức sử dụng dải tần số cao nhất dựa trên nguyên tắc : Tần số sử dụng cao nhất được chọn sao nhỏ hơn tần số cực đại một ít để đảm bảo điểm phản xạ thực tế nằm ở dưới chiều cao ứng với lớp điện tử cực đại Nmax một chút. Kazansep đã đưa ra biểu thức để xác định tần số cao nhất sau :

MUF = fTSC = 0,9 fθmax = 0,9 ft.h secθo= Aft.h fTSC tần số sử dụng cao nhất.

ft.h giá trị tần số tới hạn.

Thường người ta tính sẵn những bảng để xác định hệ số A. Trên cơ sở đó đưa ra các bản đồ dự báo điện ly được thành lập riêng cho mỗi lớp điện ly.

Biết rằng mật độ điện tử của tầng điện ly luôn biến đổi dù là trong những ngày yên tĩnh nhất, người ta cũng nhận thấy nó biến đổi trong khoảng 15 -20 % so với giá trị trung bình. Vì vậy, để tránh các trường hợp biến đổi bất thường làm ảnh hưởng đến thông tin, sau khi xác định được tần số sử dụng cao nhất MUF, người ta giảm đi từ 15 -20 % và lấy trị số đó làm tần số công tác tôt nhất OWF.

Các bước tính toán cụ thể tần số sử dụng cao nhất cho một kênh thông tin sóng ngắn cùng với bản đồ dự báo sẽ giúp cho người quản trị mạng định ra tần số cho hoạt động của mạng.

b.Xác định tần số thấp nhất.

Khảo sát phương pháp của Kazansep ta thấy :

Sóng truyền lan trong tầng điện ly sẽ bị các lớp hấp thụ. Sự hấp thụ ấy được đánh giá bởi hệ số γ.

Công thức tính trường sẽ là : E1 = E’ e-γ (3.24) Trong đó :

E’ : biên độ cường độ trường khi không tính đến tổn hao γ: hệ số hấp thụ tổng thể của tầng điện ly

γ = γD + γE + γF1 + γF2 (3.25)

Biết rằng khi truyền lan từ đài phát đến đài thu, sóng có thể đi theo nhiều đường khác nhau. Vì vậy, sóng truyền tới điểm thu sẽ không phải chỉ có một tia đơn

độc mà nó gồm nhiều tia, những tia này được truyền từ đài phát đến với những bước nhảy khác nhau. Ta có cường độ trường tổng cộng ở điểm thu là :

21 1 m i i E E = = ∑ , V/m (3.26)

Cường độ trường của một tia sóng khi không xét đến hấp thụ của tầng điện ly: 1 245 1 1 ' . . . 2 2 n PD R E R r − + | |   =   | |   (3.27) Trong đó :

P: công suất bức xạ anten (Kw) D: hệ số định hướng anten r: khoảng cách (Km)

׀R׀ : biên độ hệ số phản xạ từ mặt đất n : số lần phản xạ tầng điện ly.

Qúa trình tính toán phân tích các yếu tố, để xác định tần số thấp nhất LUHF , cần phải biết giá trị cựa tiểu của cường độ trường cần thiết để tiến hành thu tốt ở điểm thu Emin

Emin được xác định qua mức độ tạp âm và độ nhạy máy thu. Biết cường độ trường ở điểm thu là : E = E’ e-γ

Ta có : min ' ln chophep E E γ = (3.28)

Sau khi xác định được LUHF, ta sẽ vẽ diễn biến ngày của chúng lên cùng đồ thị diễn biến của LUHF.Dựa vào đó ta sẽ chọn được tần số công tác cho kênh cần thiết lập.

3.3.3.Sóng cực ngắn.

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

Sóng cực ngắn là những sóng có tần số từ 30→ 30000Mhz . Trong dải sóng cực ngắn này để tiện nghiên cứu, người ta lại phân ra làm 4 băng, ứng với bước sóng nhỏ hơn 10m.

- Sóng mét : bước sóng từ 10m→1m (30→300MHz)

- Sóng đề xi mét : bước sóng từ 1m→10cm (300→3000MHz) - Sóng cen ti mét : bước sóng từ 10cm→1cm (3GHz→30GHz) - Sóng mi li mét : bước sóng từ nhỏ hơn 1cm (lớn hơn 30GHz)

Mỗi băng sóng có những ứng dụng khác nhau, có phương thức truyền lan khác nhau.

Trong đề tài này chỉ đề cập chủ yếu đến hai băng sóng mét và đề ci mét. Hai