Radio hay vô tuyến truyền thanh là thiết bị kỹ thuật ứng dụng sự chuyển giao thông tinkhông dâydùng cách biến điệusóng điện từcótần sốthấp hơn tần số của ánh sángđó làsóng radio.
Sóng dùng trong radio có tần số trong khoảng từ 3Hz (dải tần ELF) đến 300 GHz (dải tần EHF). Tuy nhiên, từ dải tần SHFđến EHF, tức là từ tần số 3GHZ đến 300 GHz, bức xạ điện từ này thường gọi là sóng vi ba.
Từ radio còn được dùng để chỉmáy thu thanh - một thiết bị điện tử dùng để nhận về các sóng âm đã được biến điệu qua ăng ten để khuếch đại, phục hồi lại dạng âm thanh ban đầu, và cho phát ra ở loa.
Sóng vô tuyếnlà một kiểubức xạ điện từvớibước sóng trong phổ điện từdài hơn ánh sáng hồng ngoại. Sóng vô tuyến có tần số từ 3 kHz tới 300 GHz, tương ứng bước sóng từ 100km tới 1 mm. Giống như các sóng điện từ khác, chúng truyền với vận tốc ánh sáng. Sóng vô tuyến xuất hiện tự nhiên do sét, hoặc bởi các đối tượng thiên văn. Sóng vô tuyến do con người tạo nên dùng cho radar, phát thanh,liên lạc vô tuyếndi động và cố định và các hệ thống dẫn đường khác.Thông tin vệ tinh, các mạng máy tính và vô số các ứng dụng khác. Các tần số khác nhau của sóng vô tuyến có đặc tính truyền lan khác nhau trong khí quyển Trái Đất; sóng dài truyền theo đường cong của Trái Đất, sóng ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly nên có thể truyền rất xa, các bước sóng ngắn hơn bị phản xạ yếu hơn và truyền trên đường nhìn thẳng.
Để thu được tín hiệu vô tuyến, ví dụ như từ các đài vô tuyến AM/FM, cần một anten vô tuyến. Tuy nhiên, anten sẽ nhận được hàng ngàn tín hiệu vô tuyến tại một thời điểm, một bộ dò sóng vô tuyến là cần thiết để điều chỉnh tới một tần số cụ thể (hay dải tần số). Điều này được thực hiện thông qua một khung cộng hưởng (đây là một mạch với tụ điện và cuộn cảm). Khung cộng hưởng được thiết kế để cộng hưởng với một tần số cụ thể (hay băng tần), do đó khuếch đại sóng sin ở tần số vô tuyến cần thu, trong khi bỏ qua các sóng sin khác. Thông thường, hoặc điện cảm hoặc tụ điện sẽ được điều chỉnh, cho phép người dùng thay đổi tần số muốn thu.
Sóng vô tuyến truyền với vận tốc ánh sáng trong chân không.Nếu sóng vô tuyến đập vào vật thể dẫn điện có kích thước bất kỳ, nó sẽ đi chậm lại phụ thuộc vào độ từ thẩm và hằng số điện môi.
Bước sóng là khoảng cách từ một đỉnh sóng này tới đỉnh sóng kế tiếp, tỉ lệ nghịch với tần số. Khoảng cách sóng vô tuyến đi được trong 1 giây ở chân không là
299.792.458 mét, đây là bước sóng của tín hiệu vô tuyến 1 Hz. Một tín hiệu vô tuyến 1 Megahertz có bước sóng là 299 mét.
Dùng để điều khiển các vật bay (máy bay, tên lửa) và các máy móc mà con người khó trực tiếp điều khiển như các cầu trục chuển động, lò nung…
Ưu điểm: tiện lợi, đảm bảo cho điều khiển.
Nhược điểm: chịu ảnh hưởng của điều kiện môi trường nên nhiễu lớn. Để tăng tính chính xác truyền tin người ta hay dùng sóng ngắn và cực ngắn để giảm hịên tượng suy giảm thông tin và tích lũy sai khi tuyến trên khoảng cách lớn người ta cần lập nhiều trạm chuyển tiếp, ở mỗi trạm chuyển tiếp tín hiệu được phục hồi và được truyền đi tiếp.
Ta biết rằng thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện từ. Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là các lớp địa chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến. Việc phân kênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số. Một cách tổng quát, phổ tần tổng cộng và miền áp dụng của chúng được chỉ ra trên hình 3.2.
Hình 3.2: Các dạng phổ tần
Phổ này kéo dài từ các tần số dưới âm thanh (subsonic - vài Hz) đến các tia vũ trụ (1022Hz) và được chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần. Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại được chia ra thành các băng nhỏ hơn, có tên và kí hiệu như bảng kí hiệu theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR (Comité ConsultatifInternationa des Radiocommunications - International Radio Consultative Committee).
Chú thích: 1 THz (terahertz) = 1012 Hz 1 PHz (petahertz) = 1015 Hz 1 EHz (exahertz) = 1018 Hz
- Các tần số cực thấp (ELF - Extremely Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp. - Các tần số tiếng nói (VF - Voice Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 300Hz ÷ 3 kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn.
- Các tần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 kHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói. Dùng cho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là thông tin dưới nước (giữa các tàu
- Các tần số thấp (LF - Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30÷ 300 kHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không.
- Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 300 kHz ÷ 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 đến 1605 kHz). Ngoài ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không.
- Các tần số cao (HF - High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷30 MHz (thường gọi là sóng ngắn). Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều (two-way) sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá...v.v.
- Các tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến 216 MHz).
- Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 300MHz÷ 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh truyền hình thương mại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh.
- Các tần sốsiêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi bavà thông tin vệ tinh. - Các tần số cực kì cao (EHF - Extremely High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 GHz(còn gọi là sóng milimét), ít sử dụng cho thông tin vô tuyến. - Các tần số hồng ngoại. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 THz ÷ 300 THz, nói chung không gọi là sóng vô tuyến. Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học. Các ánh sáng nhìn thấy. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz ÷ 3 PHz, dùng trong hệ thống sợi quang.
- Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ. Rất ít sửdụng cho thông tin. *ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN
Tần số sử dụng cho sóng điện từ như vai trò sóng mang trong thông tin vô tuyến được gọi riêng là "tần số vô tuyến" (RF). Tần số này chiếm một dải rất rộng từ VLF (tần số cực thấp) tới sóng milimet. Mặc dù không gian tự do hàm ý là chân không, sự truyền
sóng qua khí quyển trái đất vẫn thường được coi là truyền sóng trong không gian tự do. Sự khác nhau chủ yếu là ở chỗ khí quyển trái đất gây nên các tổn thất đối với tín hiệu, còn trong chân không thì không có tổn thất. Không thể lý giải đầy đủ sóng vô tuyến theo lý thuyết, bởi vì nó không chỉbịảnh hưởng bởi tầng đối lưu và tầng điện ly mà còn bởi các thiên thể, kể cả mặt trời. Do vậy, việc đánh giá các trạng thái của các hành tinh của tầng đối lưu và điện ly và việc dự báo đường truyền sóng vô tuyến cũng như khả năng liên lạc dựa trên nhiều dữ liệu trong quá khứ là hết sức quan trọng. Các mục tiếp sau sẽ giúp bạn đọc hiểu được cơ chế truyền sóng vô tuyến theo tần số thông tin vô tuyến cùng những vấn đề khác, liên quan đến sóng vô tuyến.
3.3.1. Một số khái niệm cơ bản trong truyền sóng vô tuyến
a. Phân cực của sóng điện từ
Phân cực của sóng điện từ phẳng chính là sự định hướng của vectơ điện trường so với bề mặt trái đất. Nếu phân cực giữ nguyên không thay đổi, ta có phân cực tuyến tính. Phân cực ngang (điện trường di chuyển song song với bề mặt trái đất) và phân cực đứng (điện trường chuyển động vuông góc với mặt đất) là 2 dạng phân cực tuyến tính. Nếu vectơ phân cực quay 3600 khi sóng đi qua 1 bước sóng và cường độ trường như nhau tại tất cả các góc phân cực, ta có phân cực tròn. Khi cường độ trường thay đổi theo phân cực, ta có phân cực elip.
b.Tia sóng và mặt sóng
Các sóng điện từ là không nhìn thấy, vì vậy chúng được phân tích gián tiếp qua khái niệm tia sóng và mặt sóng. Tia sóng là đường đi dọc theo hướng truyền lan của sóng điện từ trong không gian tự do. Mặt sóng là bề mặt có pha của sóng không đổi, được tạo nên khi các điểm có cùng pha trên các tia lan truyền từ cùng nguồn hợp lại với nhau (ABCD như hình 1-2). Nguồn điểm là 1 vịtrí từ đó các tia lan truyền như nhau về mọi hướng (nguồn đẳng hướng)
c. Trở kháng đặc trưng của không gian tự do
Trở kháng đặc trưng của không gian tự do được tính:
(3.1)
trong đó μo là độ từ thẩm của không gian tự do, có giá trị bằng 1,26.10-6 H/m, εo là độ điện thẩm của không gian tự do, có giá trị bằng 8,85.10-12F/m. Thay vào ta có
Zs =377Ω.
d. Mặt sóng cầu và luật bình phương nghịch
Hình 3.2 là nguồn điểm bức xạ công suất với tốc độ không đổi đồng đều theo mọi hướng (gọi là bộ bức xạ đẳng hướng). Bộ bức xạ đẳng hướng tạo ra mặt sóng cầu với bán kính R. Mật độ công suất Patại điểm bất kì trên bề mặt sóng cầu là:
(3.2)
trong đó: Prad là tổng công suất bức xạ (W), Ra là khoảng cách từ điểm bất kì trên bề mặt hình cầu đến nguồn. Suy ra cường độ điện trường:
(3.3)
Ta có nhận xét là mật độ công suất tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách đến nguồn
e. Suy hao và hấp thụ sóng
Không gian tự do là chân không vì thế không có tổn thất năng lượng khi sóng truyền qua nó. Tuy nhiên, khi các sóng đi qua không gian tự do chúng bị trải ra, dẫn đến giảm mật độ công suất. Hiện tượng này gọi là suy hao và xảy ra trong không gian tự do cũng như trong khí quyển trái đất. Song khí quyển không phải là chân không mà chứa các hạt có thể hấp thụ năng lượng điện từ. Loại giảm công suất này được gọi là tổn hao hấp thụ. Hệ số tổn hao được tính:
Hấp thụ sóng do khí quyển tương tự với tổn thất công suất I2R. Khi đó, năng lượng bị mất mãi mãi. Suy hao sóng do hấp thụ không phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn bức xạ, mà vào tổng khoảng cách sóng đi qua.