Các tính chất quang học của sóng vô tuyến bao gồm khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và giao thoa.
a. Khúc xạ sóng (refraction)
Khúc xạ điện từ là sự thay đổi hướng của tia sóng khi nó đi chếch từ một môi trường sang môi trường khác với tốc độ truyền khác nhau. Tốc độ truyền tỉ lệ
nghịch với mật độ của môi trường truyền. Vì vậy, khúc xạ xảy ra bất cứ khi nào sóng đi từ một môi trường sang môi trường khác có mật độ khác (hình 3-3).
Tia A đi vào môi trường 2 trước tia B, do đó tia B lan nhanh hơn tia A (khoảng cách BB’ dài hơn A-A’). Vì thế, mặt song A’B’ bi nghiêng xuống dưới (về phía pháp tuyến). Góc θ1 la góc tới, góc θ2 la góc khúc xạ. Độ nghiêng của tia phụ thuộc vào chiết suất n=c/v, với v là tốc độ ánh sáng trong chất đã cho. Định luật Snell giải thích phản ứng của sóng điện từ khi gặp đường biên hai chất khác nhau như sau:
b. Phản xạ sóng
Phản xạ điện từ xảy ra khi sóng tới va đập vào biên của 2 môi trường và 1 phần hoăc toàn bộcông suất tới không đi vào môi trường 2 mà phản xạ lại. Vì sóng phản xạ vẫn ở trong môi trường 1 nên tốc độ của sóng tới va sóng phản xạ bằng nhau. Do đó, góc phản xạ bằng góc tới (θi=θr) (hình 3.4). Hệ sốphản xạ được tính như sau:
Hình 3.4: Phản xạ sóng tại biên của 2 môi trường
c. Nhiễu xạ sóng
Nhiễu xạ sóng là sự phân bố lại năng lượng trong mặt sóng khi nó đi qua gần mép của vật thể không trong suốt với kích thước so sánh được với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện tượng cho phép sóng vô tuyến đi vòng qua góc (hình 3-5).
Hình 3.5: Nhiễu xạ sóng điện từ
d. Sự giao thoa sóng
Xảy ra khi 2 hoặc hơn các sóng điện từ kết hợp với nhau sao cho chất lượng hệ thống bị giảm đi. Sự giao thoa sóng tuân theo nguyên lí xếp chồng tuyến tính của các sóng điện từ và xảyra bất cứ khi nào 2 hoặc nhiều hơn các sóng đồng thời chiếm cùng 1 điểm trong không gian (hình 3.6).
Hình 3.6: Sự cộng tuyến tính 2 sóng có pha khác nhau và sự giao thoa sóng 3.3.3 Các phương thức truyền lan sóng điện từ
Các sóng bức xạ từ điểm phát có thể đến được các điểm thu theo những đường khác nhau. Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt quả đất gọi là sóng đất hay sóng bề mặt; các sóng đi tới các lớp riêng biệt của tầng ion và phản xạ lại gọi là sóng điện ly hay sóng trời; và sóng không gian (gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất) (hình 3.7).
Hình 3.7: Các phương thức truyền sóng
a. Sự truyền lan sóng đất
Sóng đất là sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất, do đó còn được gọi là sóng bề mặt. Sóng đất là sóng phân cực đứng bởi vì điện trường trong sóng phân cực ngang sẽ song song với bề mặt trái đất, và các sóng như thế sẽ bị ngắn mạch bởi sự dẫn điện của đất. Thành phần điện trường biến đổi của sóng đất sẽ cảm ứng điện áp trong bề mặt trái đất, tạo ra dòng điện chảy. Bề mặt trái đất cũng có điện trở và các tổn hao điện môi, gây nên sự suy hao sóng đất khi lan truyền. Sóng đất lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chất dẫn điện tốt như nước muối, và truyền kém trên vùng sa mạc khô cằn. Tổn hao sóng đất tăng nhanh theo tần số, vì thế sóng đất nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2 MHz. Sóng đất được dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu thủy và tàu thủy - bờ. Sóng đất được dùng tại các tần số thấp đến 15 kHz. Các nhược điểm của truyền lan sóng đất là:
• Sóng đất yêu cầu công suất phátkhá cao. • Sóng đất yêu cầu anten kích thước lớn.
• Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất. Các ưu điểm là:
• Với công suất phát đủ lớn, sóng đất có thể dùng để liên lạc giữa 2 điểm bất kì trên thế giới.
• Sóng đất ít bịảnh hưởng bởi sự thay đổi điều kiện khí quyển.
b. Sự truyền lan sóng không gian: Gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất, truyền trong vài kilomet tầng dưới của khí quyển. Sóng trực tiếp lan truyền theo đường thẳng giữa các anten phát và thu, còn gọi sóng nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight).Vì
thế, sóng không gian bị hạn chế bởi độ cong của trái đất. Sóng phản xạ từ đất là sóng phản xạ từ bề mặt trái đất khi lan truyền giữa anten phát và thu. Độ cong của trái đất tạo nên chân trời đối với sự truyền lan sóng không gian, thường gọi là chân trời vô tuyến. Do khúc xạ khí quyển, chân trời vô tuyến dài hơn chân trời quang học
đối với khí quyển tiêu chuẩn thông thường. Chân trời vô tuyến xấp xỉ bằng 4/3 chân trời quang học. Có thể kéo dài chân trời vô tuyến bằng cách nâng cao anten phát hoặc anten thu (hay cả hai) bằng tháp hoặc đặt trên đỉnh núi (tòa nhà). Hình 1-9 ch
chỉ ra ảnh hưởng của độ cao anten đến chân trời vô tuyến. Chân trời vô tuyến nhìn thẳng đối với một anten bằng: d=√2h
trong đó: d = khoảng cách đến chân trời vô tuyến (dặm), h = độ cao anten so với mực nước biển (phít). Do đó, khoảng cách giữa anten phát và anten thu là:
trong đó: d là tổng khoảng cách (dặm), dt,drlà chân trời vô tuyến đối với anten phát và anten thu (dặm hoặc kilomet), ht,hr là độ cao anten phát và anten thu (phít hoặc mét). Khoảng cách cực đại giữa máy phát và máy thu trên đất trung bình có thể tính gần đúng theo công thức sau (đơn vị mét):
d(max) =17 ht +17 hr
Như vậy, khoảng cách truyền sóng không gian có thể tăng bằng cách tăng độ cao anten phát, anten thu hoặc cả hai.
Hình 3.8: Sóng không gian và chân trời vô tuyến
Do các điều kiện ở tầng dưới khí quyển hay thay đổi nên mức độ khúc xạ thay đổi theo thời gian. Trường hợp đặc biệt gọi là truyền lan trong ống sóng xảy ra khi mật độ đạt
mức sao cho các sóng điện từ bị bẫy giữa tầng này và bề mặt trái đất. Các lớp khí quyển hoạt động nhưống dẫn sóng và các sóng điện từ có thể lan truyền rất xa vòng theo độ cong trái đất và trong ống (hình 3.9).
Hình 3.9: Hiện tượng sóng ống 3.3.4. Các phương pháp điều chế tín hiệu RF
Trong kỹ thuật điều khiển từ xa, tín hiệu gốc không thể truyền đi xa được. Do đó, để thực hiện việc truyền tín hiệu điều khiển từ máy phát đến máy thu ta cần phải điều chế (mã hóa) tín hiệu.
Có nhiều phương pháp điều chế tín hiệu. Tuy nhiên điều chế tín hiệu dạng xung có nhiều ưu điểm hơn. Vì ở đây chúng ta sử dụng linh kiện kỹ thuật số nên linh kiện gọn nhẹ, công suất tiêu tán nhỏ, và có tính chống nhiễu cao.
* Các phương pháp điều chế tín hiệu ở dạng xung như: - Điều chế biên độ xung (PAM).
- Điều chế độ rộng xung (PWM). - Điều chế vị trí xung (PPM). - Điều chế mã xung (PCM).
3.3.5. Các đặc trưngvề sóng điện từ
Sóng điện từ dùng để liên thông giữa bên phát và bên thu gồm hai thành phần chính là tần số, cường độ. Vậy sóng điện từ là gì và làm sao để tạo ra sóng điện từ?
Hình 3.10: Thu phát sóng điện từ
Nếu chúng ta vào nhà vàđóng một khóa điê ̣n, dòng điê ̣n chảy qua mô ̣t tim đèn, làm nóng sợi tim, và đèn phát ra ánh sáng, ánh sáng chúng ta thấy được đó chính là sóng điện từtrường. Vậy có thể dùng sóng điê ̣n từtrường để truyền đi xa các tín hiê ̣u. Sóng điê ̣n từ trường quen go ̣i là sóng điê ̣n từ hay go ̣n hơn là sóng. Sóng điê ̣n từ là các dao động lâ ̣p đi lâ ̣p la ̣i và càng lúc càng lan ra xa, nó lan truyền cũng giống như sóng nước lan truyền trên mă ̣t nước. Vâ ̣y, sóng điê ̣n từ cũng có các đă ̣c tính như:
1. Tần số của sóng: Chỉ số lần dao đô ̣ng đếm được trong 1 giây. 2. Bước sóng: Chỉ đoa ̣n đường sóng đi được ứng với 1 chu kỳ sóng. 3. Tốc đô ̣ lan truyền: Chỉđoa ̣n đường sóng đi được trong 1 giây. 4. Cường đô ̣ sóng: Chỉ biên đô ̣ của sóng.
Tần số cho thấy chuyển đô ̣ng nhanh châ ̣m của các dao đô ̣ng, còn cường độ dùng chỉ sức ma ̣nh yếu của sóng. Tóm la ̣i, Chúng ta có thể dùng sóng điện từ để ta ̣o liên thông "vô tuyến" với các thiết bi ̣đă ̣t ở xa.
a. Quá trình ta ̣o ra sóng điê ̣n từ
Người ta có thể dùng mô ̣t bóng đèn bình thường để ta ̣o ra sóng điê ̣n từ trường, rất đơn giản, vì ánh sáng chính là sóng điê ̣n từ trường, nhưng ánh sáng là da ̣ng sóng "hỗn ta ̣p", trong đó có rất nhiều tần số rất khó phân lo ̣c, trong khi đó cái người ta cần là mô ̣t sóng dạng sin có tần số cao nhưng tần số phải thuần nhất và khống chế được. Để có loại sóng này dùng trong "điều khiển vô tuyến", khởi đầu người ta dùng ma ̣ch dao đô ̣ng cô ̣ng hưởng LC, nó được kết nối bởi một cuô ̣n dây và một tụ điê ̣n, khi ma ̣ch LC bị kích thích, trong cuô ̣n dây sẽ xuất hiê ̣n từ trường và trong tụđiê ̣n sẽ xuất hiê ̣n điện trường, khi vào trạng thái cô ̣ng hưởng, từtrường trong cuô ̣n dây L và điê ̣n trường trong tụ C sẽ kết hợp ta ̣o ra da ̣ng sóng điê ̣n từtrường. Bây giờ chỉ cần dùng dây anten cho sóng trong mạch LC phát vào không gian, chúng ta đã có tia sóng dùng cho công viê ̣c điều khiển vô tuyến.
Hình 3.11: Mạch điện điển hình dùng tạo rasóng mang RF, dùng anten cho phát vào không gian, để liên thông với các máy thu sóng xung quanh.
Hình vẽ cho thấy, trong mạch, người ta dùng mô ̣t cuô ̣n dây L cho mắc song song với mô ̣t tụđiê ̣n tinh chỉnh C. Dùng cuô ̣n cản 10μH để lấy tín hiệu cho qua tụ 5pF hồi tiếp về chân B của transistor để duy trình tra ̣ng thái dao động của ma ̣ch. Mỗi khi chân B của transistor được cấp mức volt phân cực, transistor sẽ dao đô ̣ng nó liên tục bơm dòng điê ̣n kích thích vào ma ̣ch cô ̣ng hưởng LC, mạch này sẽ ta ̣o ra sóng điê ̣n từ trường có tần số rất cao và sóng điê ̣n từ sẽ phủ sóng vào không gian chung quanh. Trong mạch người ta dùng mô ̣t con Led nhỏđể báo cho biết mạch đang được cấp điê ̣n.
Hình 3.12: Mạch cộng hưởng LC phát sóng điện từ
XC = 1/2πfC, XL= 2πfL. Trong C có điện trường, trong L có từ trường tạo sóng điện từ. Xc= XL hay 1/2πfC = 2πfL suy ra 1 2 f LC
Hình trên cho thấy, cách xác đi ̣nh tần số cô ̣ng hưởng của của mạch LC. Với tụ C chúng ta có dung kháng XC = 1/2πfC và với cuô ̣n cảm chúng ta có cảm kháng XL =2πfL. ở trạng thái cô ̣ng hưởng, lúc đó dung kháng bằng với cảm kháng, và từ hê ̣ thức cân bằng này chúng ta tính ra được tần số của tín hiê ̣u da ̣ng sin ta ̣o ra trong các mạch cộng hưởng LC. Hê ̣ thức này cho thấy, khi thay đổi tri ̣ của tụ C hay cuô ̣n cảm L, chúng ta sẽ làm thay đổi tần số của sóng điê ̣n từtrường ta ̣o ra từ các ma ̣ch cô ̣ng hưởng này.
b. Phương thức điều khiển vô tuyến.
Hình 3.13: Phương thức điều khiển vô tuyến
Muốn điều khiển các thiết bị phải dùng đến mã lệnh. Vậy mã lệnh là gì và làm sao để tạo ra các mã lệnh.
Khi chúng ta đã biết dùng ma ̣ch cộng hưởng LC để tạo ra các tia sóng dùng làm sóng mang để phát vào không gian, bây giờ phải nghĩđến cách dùng nó để đóng mở các thiết bi ̣đă ̣t ở đằng xa. Để làm được điều này, người ta phải nghĩ ra cách tạo ra các nhóm mã lê ̣nh và"cho điều chế" các mã lê ̣nh này vào nằm trong sóng mang. Tóm la ̣i cách điều khiển các thiết bi ̣ bằng sóng vô tuyến sẽđược thực hiê ̣n như sau:
Bước 1: Ở bên phát dùng mạch cô ̣ng hưởng LC ta ̣o ra sóng mang có tần số ổn đi ̣nh dùng làm sóng mang. Dùng ma ̣ch ta ̣o ra tín hiê ̣u mã lê ̣nh và cho mã lê ̣nh điều chế vào sóng mang rồi cho phát vào không gian.
Bước 2: Ở bên thu dùng ma ̣ch cô ̣ng hưởng LC làm bẫy sóng để bắt thu sóng điê ̣n từ có trong không gian, nó đãđược phát ra từbên phát, cho giải mãđể lấy ra tín hiê ̣u mã lê ̣nh có trong sóng mang, dùng tín hiê ̣u mã lê ̣nh đểđóng mở các thiết bị.
3.3.6. Sơ đồ khối mạch điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến
Hình 3.14: Sơ đồ khối mạch điều khiển từ xa dùng sóngvô tuyến 3.3.7. Sơ đồ khối máy phát:
Hình 3.15: Sơ đồ khối máy phát sóng vô tuyến
Khối phát lệnh điều khiển: Dùng các phím để phát lệnh điều khiển theo phương thức ma trận phím hay từng phím ấn riêng lẻ.
Khối mã hóa: Biến đổi sóng dao động điện được tạo ra từ bàn phím lệnh thành sóng điện có tần số đặc trưng cho lệnh điều khiển tương ứng.
Khối dao động cao tần: Tạo dao động bên trong máy phát, có nhiệm vụ làm sóng mang để chuyên chở tín hiệu điều khiển trong không gian.
Khối điều chế 2 Phối hợp 2 tín hiệu dao động lại với nhau theo các phương pháp khác nhau, tùy theo đặc điểm của hệ thống thu - phát như điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha (PM).
Khối khuếch đại cao tần: Khuếch đại biên độ tín hiệu nhằm tăng cường công suất bức xạ sóng điện từ.
3.3.8. Sơ đồ khối máy thu
Hình 3.16: Sơ đồ khối máy thu sóng vô tuyến
Khối khuếch đại cao tần: khuếch đại biên độ tín hiệu cao tần thu được từ Antena để bù lại năng lượng của sóng điện từ tiêu hao khi lan truyền trong môi trường.
Khối dao động nội: là dao động cao tần hình sin biến đổi năng lượng dao động một chiều thành xoay chiều có tần số yêu cầu. Khối dao động nội là dao động tự kích có tần số ổn định cao.
Khối trộn tần: biến đổi tín hiệu cao tần thành tín hiệu trung tần chung, với tần số này việc thiết kế mạch cũng như độ ổn định trở nên dễ dàng hơn. Khối trộn tần cón có nhiệm vụ khuếch đại biên độ tín hiệu trung tần chung.
Khối tách sóng: có nhiệm vụ triệt tiêu sóng mang cao tần, phục hồi lại tín hiệu điều khiển.
Khối giải mã: nhận biết tín hiệu vừa phát đi để phát ra lệnh tác động đúng thiết bị cần điều khiển.
Khối lệnh điều khiển: gồm các mạch động lực, đóng ngắt nguồn cho thiết bị, hay điều khiển chức năng thiết bị đã đặt trước.
Qua thực nghiệm cho thấy, để sóng điện từ có thể bức xạ và lan truyền trong môi trường thì tần số dao động điện thích hợp là lớn hơn 100 kHz. Ngoài ra vấn đề phối hợp trở kháng giữa các tần trong máy phát, giữa antena và tần công suất phát là rất quan trọng trong việc nâng cao khoảng cách phát sóng.
Vì Antena thu có đặc tính cộng hưởng với tần số phát nên kích thước antena có quan hệ chặt chẽ với bước sóng phát. Đối với antena Sut (whip anten) chiều dài của