2.4 C ăs lý thuy t v sóng vô tuy n
2.4.1 Khái ni m v sóng vô tuy n
Sóng vô tuy nălƠăsóngăđi n từ có t n s từ 30 kHzăđ n 300 GHzăvƠăđ c chia ra cácăbĕngăt năLF,ăHF,ăVHF,ăUHFăvƠăbĕngăt n cao dùng cho thông tin v tinh. Có hai lo i sóng vô tuy n là sóng dọc và sóng ngang. Sóng dọc là sóng lan truy n theo ph ngăchuy năđ ng c a nó (tiêu bi uănh ăsóngăơmăthanhălanătruy n trong không khí)ăcònăsóngăngangălƠăsóngăđi n từ cóăvect ăc ngăđ đi nătr ng và từ tr ng vuông góc v i nhau và vuông góc v iăph ngătruy n sóng.
T t c cácăsóngăđ uăcóăđặc tính v biênăđ và t n s . B tăđ u từ m tăđi m cân bằng, hay giá trị 0, m tăsóngădaoăđ ng qua l i đ tăđ n hai c c, khi tr v đi m cân bằng nó hoàn t t m tăchuătrình.ăĐi m cao nh tămƠăsóngăđ t t iăđ c gọiălƠăđỉnh sóng,ăvƠăđi m th p nh tăđ căchơnăsóng.ăBiênăđ là chi u cao c aăsóngăđ căđoătừ giá trị0ăđ năđỉnh c a nó. T n s c a sóng là s chu trìnhăđ c t o ra trong m i giây [9].
2.4.2 Phân chia gi i tần s vô tuy n.
Ta bi t rằng thông tin vô tuy năđ m b o vi căphátăthôngătinăđiăxaănh các sóng đi n từ.ăMôiătr ng truy n sóng (khí quy n trên mặtăđ t,ăvǜătr ,ăn c,ăđôiăkhiălƠăcácă l păđịa ch t c a mặt đ t) là chung cho nhi u kênh thông tin vô tuy n. Vi c phân kênh ch y u d a vào tiêu chuẩn t n s . M t cách t ng quát, ph t n t ng c ng và mi n áp d ng c aăch́ngăđ c chỉ ra trên hình 2.27.
Hình 2.27: Ph t ng t n s vô tuy n và ng d ng [9].
STT Ph m vi t n s Tên gọi
1 30 Hz ÷ 300 Hz T n s c c kỳ th p (ELF)
52
2 0.3 kHz ÷ 3 kHz T n s tho i (VF)
3 3 kHz ÷ 30 kHz T n s r t th p (VLF)
4 30 kHz ÷ 300 kHz T n s th p (LF)
5 0.3 MHz ÷ 3 MHz T n s trung bình (MF)
6 3 MHz ÷ 30 MHz T n s cao (HF)
7 30 MHz ÷ 300 MHz T n s cao (VHF)
8 300 MHz ÷ 3 GHz T n s c c cao (UHF)
9 3 GHz ÷ 30 GHz T n s siêu cao (SHF)
10 30 GHz ÷ 300 GHz T n s c c kỳ cao (EHF)
11 0,3 THz ÷ 3 THz H ng ngo i
12 3 THz ÷ 30 THz H ng ngo i
13 30 THz ÷ 300 THz H ng ngo i
14 0,3 PHz ÷ 3 PHz Tia nhìn th y
15 3 PHz ÷ 30 PHz Tia c c tím
16 30 PHz ÷ 300 PHz Tia X
17 0,3 EHz ÷ 3 EHz Tia gamma
18 3 EHz ÷ 30 EHz Tiaăvǜătr
B ng 2.3: Tên gọi các dãy t n s [9].
Chú thích: 1 THz (terahertz) = 1012Hz 1 PHz (petahertz) = 1015Hz 1 EHz (exahertz) = 1018Hz2
Các t n s c c kỳ th p (ELF - Extremely Low Frequencies). Có giá trị nằm trong ph m vi 3 ậ 300 Hz, ch a c t n s đi n m ng AC và các tín hi uăđoăl ng từ xa t ng th p.
Các t n s ti ng nói (VF - Voice Frequencies). Có giá trị nằm trong ph m vi 300 Hz ậ 3 kHz, ch a các t n s kênh tho i tiêu chuẩn.
Các t n s r t th p (VLF - Very Low Frequencies). Có giá trị nằm trong ph m vi 3 ậ 30 kHz, ch a ph n trên c a d iăngheăđ c c a ti ng nói. Dùng cho các h th ng an ninh, quân s và chuyên d ng c a chính ph nh ălƠăthôngătinăd iăn c (gi a
53 các tàu ng m).
Các t n s th p (LF - Low Frequencies). Có giá trị nằm trong ph m vi 30 ậ 300 kHză(th ng gọi là sóng dài), ch y u dùng cho d năđ ng hàng h i và hàng không.
Các t n s trung bình (MF - Medium Frequencies). Có giá trị nằm trong ph m vi 300 kHz ậ 3 MHză(th ng gọi là sóng trung), ch y uădùngăchoăphátăthanhăth ngă m i sóng trung (535 ậ 1605 kHz).ăNgoƠiăraăcǜngăsử d ng cho d năđ ng hàng h i và hàng không.
Các t n s cao (HF - High Frequencies). Có giá trị nằm trong ph m vi 3 ậ 30 MHză(th ng gọi là sóng ng n). Ph n l n các thông tin vô tuy n 2 chi u (two ậ way) sử d ng d i này v i m căđíchăthôngătină c ly xa xuyên l căđịa, liên l c hàng h i, hàng không, nghi păd ,ăphátăthanhăqu ng bá.
Các t n s r t cao (VHF ậ Very High Frequencies). Có giá trị nằm trong ph m vi 30 ậ 300 MHz (còn gọiălƠăsóngămét),ăth ng dùng cho vô tuy nădiăđ ng, thông tin hàng h iă vƠăhƠngă không,ăphátă thanhăFMăth ngă m i (88 ậ 108 MHz), truy n hìnhăth ngăm i (kênh 2 ậ 12 v i t n s từ 54 ậ 216 MHz).
Các t n s c c cao (UHF - UltraHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong ph m vi 300 MHz ậ 3 GHz (còn gọi là sóng đ xi mét), dùng cho các kênh truy n hình th ngăm i 14 ậ 83, các dịch v thôngătinădiăđ ng mặtăđ t, các h th ngăđi n tho i t bào, m t s h th ng rada và d năđ ng, các h th ng vi ba và thông tin v tinh.
Các t n s siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong ph m vi 3 ậ 30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), ch y u dùng cho vi ba và thông tin v tinh.
Các t n s c c kì cao (EHF - Extremely High Frequencies). Có giá trị nằm trong ph m vi 30 ậ 300 GHz (còn gọi là sóng mi li mét), ít sử d ng cho thông tin vô tuy n.
Các t n s h ng ngo i. Có giá trị nằm trong ph m vi 0,3 THz ậ 300 THz, nói chung không gọi là sóng vô tuy n. Sử d ng trong h th ng d năđ ng tìm nhi t, ch p nhăđi n tửvƠăthiênăvĕnăhọc.
Các ánh sáng nhìn th y. Có giá trị nằm trong ph m vi 0,3 PHz ậ 3 PHz, dùng
54 trong h th ng s i quang.
Các tia c cătím,ătiaăX,ătiaăgammaăvƠătiaăvǜătr . R t ít sử d ng cho thông tin.
2.4.3 Đặcăđi m truy n sóng vô tuy n.
T n s sử d ngăchoăsóngăđi n từnh ăvaiătròăsóngămangătrongăthôngătinăvôătuy n đ c gọi riêng là "t n s vô tuy n" (RF). T n s này chi m m t d i r t r ng từ VLF (t n s c c th p) t i sóng milimet. Mặc dù không gian t do hàm ý là chân không, s truy n sóng qua khí quy nă tráiă đ t v nă th ngă đ c coi là truy n sóng trong không gian t do. S khác nhau ch y u là ch khí quy nătráiăđ t gây nên các t n th tăđ i v i tín hi u, còn trong chân không thì không có t n th t. Không th lý gi i đ yăđ sóng vô tuy n theo lý thuy t, b i vì nó không chỉ bị nhăh ng b i t ngăđ i l uăvƠăt ngăđi n ly mà còn b i các thiên th , k c mặt tr i. Do v y, vi căđánhăgiáă các tr ng thái c a các hành tinh c a t ngăđ iăl uăvƠăđi n ly và vi c d báoăđ ng truy n sóng vô tuy năcǜngănh ăkh nĕngăliênăl c d a trên nhi u d li u trong quá kh là h t s c quan trọng. Các m c ti p sau sẽ giúp b nă đọc hi uă đ că c ă ch truy n sóng vô tuy n theo t n s thông tin vô tuy n cùng nh ng v năđ khác, liên quanăđ n sóng vô tuy n [9].
M t s khái ni măc ăb n trong truy n sóng vô tuy n:
a. Phân c c củaăśngăđi n t
Phân c c c aăsóngăđi n từ phẳng chính là s địnhăh ng c aăvect ăđi nătr ng so v i b mặtătráiăđ t. N u phân c c gi nguyênăkhôngăthayăđ i, ta có phân c c tuy n tính. Phân c c ngang (đi nătr ng di chuy n song song v i b mặtătráiăđ t) và phân c căđ ng (đi nătr ng chuy năđ ng vuông góc v i mặtăđ t) là hai d ng phân c c tuy n tính. N uăvect ăphơnăc c quay 3600 khiăsóngăđiăqua m t b c sóng và c ngăđ đi n tr ngănh ănhauăt i t t c các góc phân c c, ta có phân c c tròn. Khi c ngăđ tr ngăthayăđ i theo phân c c, ta có phân c c elip.
b.Tia sóng và mặt sóng
Cácăsóngăđi n từ là không nhìn th y, vì v yăch́ngăđ c phân tích gián ti p qua khái ni m tia sóng và mặt sóng.ăTiaăsóngălƠăđ ngăđiădọcătheoăh ng truy n lan c a sóngăđi n từ trong không gian t do. Mặt sóng là b mặt có pha c aăsóngăkhôngăđ i,
55
đ c t oănênăkhiăcácăđi m có cùng pha trên các tia lan truy n từ cùng ngu n h p l i v i nhau.
c. Tr kh́ngăđặcătr ngăcủa không gian t do Tr khángăđặcătr ngăc a không gian t doăđ c tính:
� = 0
�0
0μăđ từ thẩm c a không gian t do và có giá trị bằng 1.26.10-6 H/m;
�0μăđ đi n thẩm c a không gian t do và có giá trị bằng 8,85.10-12 F/m. Khi thay vào ta có k t qu Zs = 377 Ω.
d.Suy hao và hấp th sóng
Không gian t do là chân không vì th không có t n th tănĕngăl ng khi sóng truy năquaănó.ăTuyănhiên,ăkhiăcácăsóngăđiăquaăkhôngăgianăt do chúng bị tr i ra, d n đ n gi m m tăđ công su t. Hi năt ng này gọi là suy hao và x y ra trong không gian t doăcǜngănh ătrongăkhíăquy nătráiăđ t. Song khí quy n không ph i là chân không mà ch a các h t có th h p th nĕngăl ngăđi n từ. Lo i gi m công su t này đ c gọi là t n hao h p th . H s t năhaoăđ c tính:
� = 10����1
�2
H p th sóng do khí quy năt ngăt v i t n th t công su t I2R.ăKhiăđó,ănĕngă l ng bị m t mãi mãi. Suy hao sóng do h p th không ph thu c vào kho ng cách từ ngu n b c x , mà vào t ng kho ngăcáchăsóngăđiăquaă[9].
2.4.4 Ph ngăth c truy n sóng vô tuy n.
Các sóng vô tuy n có th đ c truy n từ antenă phátă đ n anten thu bằng hai đ ng chính: bằng sóng b mặt và bằng sóng không gian.
a. Sóng b mặtă(śngăđất)
Khi sóng vô tuy n lan truy n dọc theo b mặtătráiăđ t,ăthìănĕngăl ng truy n d n sẽ bị tiêu hao. M căđ tiêu hao này ph thu c vào hằng s đi n d năvƠăđi n môi hi u d ng c aăđ t,ăt ngăt nh ăkhiăsóngăđiădọc theo đ ng dây. Khi t n s sóng trên 30 MHzăđ t có tác d ngănh ăm t dây d n kém nên gây tiêu hao l n.ăDoăđó,ă
56
trong th c t khi truy n sóng trên mặtăđ tăng iătaăth ng chọn sóng có t n s th p.
b.Sóng không gian
Là m t lo i sóng quan trọng trong thông tin VHF, UHFăvƠăSHF.ăNĕngăl ng truy n c a sóng không gian từantenăphátăđ năantenăthuătheoăbaăđ ng truy năt ngă
ng v i sóng tr c ti p, sóng ph n x từ mặtăđ t và sóng ph n x từ t năđ iăl u.
* Sóng tr c ti p.
Sóng truy n tr c ti p từ antenăphátăđ n anten thu không bị ph n x trênăđ ng truy n.ăTrongăđi u ki n truy nălanăbìnhăth ng,ănóăcóăbiênăđ l n nh t so v i các sóngăkhácăđ n máy thu.
* Sóng ph n x đ t.
SóngănƠyăđ n anten thu sau lúc ph n x m t vài l n từ mặtăđ t hoặc từ các v t th xung quanh. S ph n x không nh ng chỉ xu t hi n trên mặt phẳngăđ ng mà còn có th xu t hi n trên mặt phẳng ngang. Sóng ph n x t iăantenăthuăcóăbiênăđ và pha khác v iăbiênăđ và pha c a sóng tr c ti p, vì v y làm cho tín hi u thu không
năđịnh.
N u hi u kho ngăcáchăđ ng truy n c a tia ph n x và tia tr c ti p bằng s lẻ l n n aăb c sóng thì anten thu sóng ph n x l ch pha v i sóng tr c ti p m t góc 1800 và k t qu làm suy gi m tín hi u sóng tr c ti p. Suy gi măđ n m căđ nƠoăđóă ph thu căvƠoăbiênăđ c a sóng ph n x .
* Sóng ph n x t ngăđ iăl u.ă
Doăthayăđ i chỉ s khúc x c aăkhôngăkhíătheoăđ cao so v i mặtăđ t, nên sóng có th bị ph n x , tuỳ theo góc sóng t i có th x y ra ph n x toàn ph n từng t ng đ iăl u.ăTrongătr ng h p này xu t hi n m t biên gi i có tác d ng gi ngănh ăm t b mặt ph n x , gửi sóng tr l i mặtăđ t. M t s tia này sẽ đ n anten thu, có th làm suy gi m sóng tr c ti p do s thayăđ iăphaăvƠăbiênăđ gây ra. Sóng truy n theo t ng đ iăl uăcóăth lan r ngăđ n 15 km.
(Ngôn ng kỹ thu tăđi năvƠăđi n tử bằng ti ng Anh c a Eugene J. Hall và Ti ng AnhăOxfordădƠnhăchoăđi n tử c a Glendinning và John McEwan).