Đề tài Thiết kế mô hình thông tin vô tuyến chuyển tiếp sóng cực ngắn

MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU š@&?› Quá trình phân tích thiết kế một mô hình thông tin, ta phải tính toán đến khả năng thực hiện khép kín một cuộc thông tin thành công, nhờ vào thiết bị đầu cuối, mỗi một kênh thông tin gồm các thiết bị thu phát đặt ở các đầu cuối, tin tức được mang đi nhờ vào sóng điện từ lan truyền trong môi trường vật lý trung gian và ta thường gọi là môi trường truyền sóng. Việc nghiên cứu thiết lập một kênh thông tin nhất là mô hình chuyển tiếp buộc ta phải quan tâm đến hai yếu tố chính cần nghiên cứu đó là các vấn đề về truyền sóng và thiết bị thông tin đầu cuối phù hợp. Đặt vấn đề nghiên cứu truyền sóng là tính đến khả năng phủ sóng của thiết bị dựa trên các tiêu chuẩn sản xuất mà tại đó, các yếu tố địa lý, các tác động môi trường truyền sóng như lớp khí quyển, mặt đất…sẽ có tác động lên sóng lan truyền đó, đó là tác động làm giảm yếu biên độ của sóng và tác động làm méo dạng tín hiệu (nếu là tín hiệu tương tự) và gây lỗi đối với tín hiệu số, do nhiễu.Vì vậy, khi nghiên cứu về truyền sóng chính là ta đang phải nghiên cứu những vấn đề chính như sau: - Xác định cường độ trường tại điểm thu khi biết các thông số của máy phát và xác định điều kiện để thu được trường tốt nhất. - Nghiên cứu sự phát sinh dạng méo tín hiệu gây lỗi trong quá trình truyền sóng và tìm biện pháp để làm giảm méo đến mức cực tiểu. Tìm hiểu thiết bị đầu cuối sẽ giúp ta chọn được thiết bị phù hợp nhất mà tại địa bàn triển khai sẽ đáp ứng tốt nhất những yêu cầu đặt ra cho quá trình nghiên cứu một mô hình thông tin phù hợp thông qua thiết bị đã được chọn. Tỉnh Ninh Bình là một tỉnh thường xuyên phải gánh chịu thiên tai khắc nghiệt như bão, lũ. Công tác chỉ huy, chỉ đạo phòng chống lụt bão, tìm kiếm cứu nạn diễn ra thường xuyên. Nghiên cứu mô hình thông tin chuyển tiếp, Em hy vọng phần nào giúp công tác chỉ huy phòng chống lụt bão, tìm kiếm cứu nạn được thuận lợi hơn, hạn chế thấp nhất hậu quả xấu do thiên tai gây ra. Với mục đích đó em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Thiết kế mô hình thông tin vô tuyến chuyển tiếp sóng cực ngắn”.Cuốn đồ án tốt nghiệp được hoàn thành với nội dung chính gồm 5 chương: Chương 1: Các vấn đề lý thuyết chung Chương 2: Những ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện Chương 3: Truyền sóng Chương 4: Thiết kế mô hình thông tin vô tuyến chuyển tiếp sóng cực ngắn Chương 5 : Khai thác và bảo dưỡng mô hình chuyển tiếp Từ việc học đến việc sử dụng những kiến thức đó vào thực tiễn một cách hiệu quả là cả một quá trình lâu dài và liên tục. Việc ứng dụng kiến thức sao có hiệu quả trong công tác sau này chính là lòng biết ơn mà em mong muốn được gửi tới các thầy, cô đã dày công chỉ bảo. Đặc biệt em xin gửi lời cám ơn chân thành tới sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Đình Luyện và sự hướng dẫn của Trung tá Trần Mạnh Huế -phòng thông tin công an tỉnh Ninh Bình- đã cung cấp một số tài liệu về công tác phòng chống bão lụt ở địa phương giúp em hoàn thành đồ án này. Cảm ơn bạn bè và người thân đã luôn ủng hộ và động viên em trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Qui Nhơn. Đề tài mà em báo cáo, đó chỉ là những hiểu biết ít ỏi được thu lượm từ những bài giảng trên lớp, những chỉ bảo tận tình của thầy, cô. Thông qua đề tài này, em hi vọng trong thời gian sắp tới, với công tác thông tin em sẽ đạt được những kết quả tốt nhất. Tuy vậy, vì những kiến thức còn hạn chế, những khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài và hơn nữa là thiếu kinh nghiệm thực tế nên không tránh khỏi những sai sót, những hạn chế của cá nhân. Do vậy, em mong muốn tiếp tục nhận được những chỉ bảo của thầy, cô để đề tài của em có tính thực tế hơn và giúp em ngày càng hoàn thiện bản thân. Em xin chân thành cảm ơn! Qui Nhơn, tháng 6 năm 2010 Sinh viên Trần Thị Minh Hoa CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT CHUNG š@&?› 1.1.Một số khái niệm cơ bản. Kể từ những năm 1970, sự thâm nhập lẫn nhau của hai lĩnh vực máy tính và truyền thông đã làm thay đổi sâu sắc các lĩnh vực công nghệ và sản xuất, và một kết quả tất yếu là một ngành công nghiệp máy tính - truyền thông (Computer – Communication ) ra đời. Chính nhờ sự hòa trộn mang tính cách mạng này, rất nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ đã có những cơ sở để phát triển mạnh mẽ. Trong bối cảnh của sự phát triển bùng nổ này, những hiểu biết về lý thuyết thông tin (Information Theory), về truyền thông ngày càng quan trọng và cần được xem xét trong hoàn cảnh mới. 1.1.1.Thông tin và hệ thống truyền tin. Thông tin (tiếng Anh là “Information”, còn được gọi là tin tức) là vật liệu đầu tiên được gia công trong một hệ thống truyền tin. Hiện nay chưa có một định nghĩa đầy đủ và súc tích cho khái niệm thông tin. Chúng ta tạm sử dụng khái niệm sau làm định nghĩa về thông tin: Thông tin là sự cảm hiểu của con người về thế giới xung quanh (thông qua sự tiếp xúc với nó). Như vậy, thông tin là hiểu biết của con người và càng tiếp xúc với môi trường xung quanh con người càng hiểu biết và làm tăng lượng thông tin thu nhận được. Phân loại thông tin. Thông tin thoại. Thông tin hình. Thông tin báo. Thông tin số liệu. Thông tin điều khiển. Trong cuộc sống, con người luôn có nhu cầu trao đổi thông tin với nhau, có nghĩa là có nhu cầu truyền tin (Communication) với nhau. Những thông tin khi truyền được mang dưới dạng năng lượng khác nhau như âm điện, sóng điện từ, sóng ánh sáng…. Những dạng năng lượng được dùng để mang tin này được gọi là vật mang (carrier). Nó là một quá trình vật lý cụ thể. Vật mang đã chứa thông tin trong nó là một đại diện của thông tin và nó được gọi là tín hiệu (Signal). Cho nên trước đây khi khái niệm “thông tin” chưa được xác định cụ thể như hiện nay, người ta vẫn nghiên cứu định lượng các hệ thống truyền tin bằng cách tính toán và thực nghiệm trên sự biến đổi năng lượng mang tin trong các hệ thống đó. Trên quan điểm năng lượng, lý thuyết tín hiệu đã giải quyết những vấn đề tổng quát về phân tích và tổng hợp mạch và tín hiệu, và nhờ đó kỹ thuật truyền tin đã có những bước phát triển khá dài. Nhưng cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mình, ngành kỹ thuật truyền tin đã nảy sinh nhiều vấn đề mà những lý thuyết xây dựng trên quan điểm năng lượng không giải thích được trọn vẹn, như vấn đề mối liên hệ cơ bản giữa các hệ thống truyền tin sử dụng những năng lượng khác nhau, như vấn đề bảo tồn thông tin trong các hệ thống thông tin vũ trụ trong đó năng lượng tải tin rất nhỏ bé, như vấn đề đảm bảo tốc độ truyền tin nhanh và chính xác trong các hệ thống truyền số liệu, như gia công thông tin trong các thiết bị tính toán điều khiển… Nói cách khác phải xây dựng những tiêu chuẩn chung để có thể đánh giá và so sánh các hệ thống truyền tin, giải quyết những vấn đề cơ bản của truyền tin là: tốc độ truyền tin và khả năng chống nhiễu của hệ thống, thiết lập những mô hình hệ thống truyền tin thực chỉ ra các phương hướng cải tiến có hiệu quả. Những hệ thống truyền tin cụ thể mà con người đã sử dụng và khai thác có rất nhiều dạng và khi phân loại chúng, người ta cũng có thể dựa trên nhiều cơ sở khác nhau.Ví dụ trên cơ sở năng lượng mang tin người ta có thể phân hệ thống truyền tin thành các loại; Hệ thống điện tín dùng năng lượng điện một chiều. Hệ thống thông tin vô tuyến điện dùng năng lượng sóng điện từ. Hệ thống thông tin quang năng (hệ thống báo hiệu, thông tin hồng ngoại, laser, cáp quang…) Hệ thống thông tin dùng sóng âm, siêu âm, năng lượng cơ học… Chúng ta cũng có thể phân loại hệ thống thông tin dựa trên cơ sở biểu hiện bên ngoài của thông tin như: Hệ thống truyền số liệu. Hệ thống truyền hình. Hệ thống thông tin thoại… Những phương pháp phân loại trên dưa theo nhu cầu kỹ thuật, giúp cán bộ kỹ thuật nhận thức vấn đề một cách cụ thể và tìm hiểu khai thác các loại hệ thống được dễ dàng. Sự phân loại như vậy đã được ứng dụng rộng rãi và gần như thống nhất trong các tài liệu và sách kỹ thuật. Nhưng ở đây, để đảm bảo tính logic của vấn đề được trình bày, chúng ta căn cứ vào đặc điểm cuả thông tin dựa vào kênh để phân loại các hệ thống truyền tin và như vậy chúng ta phân làm hai loại hệ thống truyền tin: Hệ thống truyền tin rời rạc. Hệ thống truyền tin liên tục. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống truyền tin : IS Ch ID IS (Information Soucer) : Nguồn tin ID(Information Destination): Điểm nhận tin Ch (Channel): kênh tin 1.1.2.Truyền sóng vô tuyến điện và anten. 1.1.2.1.Cơ sở truyền sóng vô tuyến điện. Sóng vô tuyến điện là sóng điện từ truyền lan trong không gian và mang tin tức. Sóng vô tuyến điện có tần số nằm trong khoảng 3.103 ÷ 1016Hz. Nghiên cứu truyền sóng vô tuyến điện tức là tính cường độ trường tại một điểm nào đấy khi biết được công suất của máy phát, tần số công tác, cự li và độ cao của anten, thiết lập được một tuyến thông tin vô tuyến điện khi đã có cự li và tần số công tác. Sóng vô tuyến điện khi truyền lan trong không gian ở các đoạn tần số khác nhau truyền theo các phương thức khác nhau, có nghĩa là đường đi khác nhau dẫn đến trường dẫn điện đến điểm khảo sát khác nhau. Theo phân loại trước đây, những sóng điện từ nằm trong dải tần số có giới hạn dưới là f = 103Hz (tương ứng với bước sóng λ = 300Km) và giới hạn trên f = 1012Hz (tương ứng với bước sóng λ = 0,3mm) đều gọi là sóng vô tuyến hay sóng radio. Nhưng trong nghiên cứu thông tin vô tuyến thì nên phân theo phương thức truyền lan của sóng. Có các dải sóng chính như sau: Sóng cực dài: bước sóng λ > 10km (tần số f < 30 KHz) Sóng dài: bước sóng 10km >λ > 1km ( 30KHz <f < 300KHz) Sóng trung: bước sóng 1km> λ > 100m ( 300 KHz < f < 3 MHz) Sóng ngắn bước sóng 100m > λ > 10m ( 3MHz < f < 30 MHz) Sóng cực ngắn: bước sóng 10m > λ > 1mm ( 30MHz < f < 300 GHz) 1.1.2.2.Truyền sóng trong dải sóng ngắn và cực ngắn. Sóng ngắn được sử dụng nhiều trong thông tin. Trong lĩnh vực viễn thông hiện nay thông tin sóng ngắn là hệ thông thông tin dự phòng T3 của quốc gia (cáp quang – vi ba sóng ngắn). Bước sóng: 100m > λ > 10m ( 3MHz < f < 30 MHz) Truyền lan: bằng sóng đất, sóng điện ly. Nhờ có truyền lan bằng sóng tầng điện ly nên có khả năng truyền lan được xa khi công suất máy phát bé. Giới hạn của dải tần số công tác: + Ban ngày: bước sóng 10m đến 35m. + Ban đêm: bước sóng 35m đến 100m. Sóng cực ngắn truyền lan trong tầm nhìn thẳng (anten phát và anten thu nhìn thấy nhau). Tín hiệu thu được ổn định, độ tin cậy cao, cự li thông tin gần. Hầu hết trong lĩnh vực thông tin đều nằm trong dải sóng cực ngắn (phát thanh FM, truyền hình, hệ thống rada, vi ba…) Bước sóng: 10m > λ > 1mm ( 30MHz < f < 300 GHz) Chia thành 4 băng : Sóng mét: bước sóng từ 10m đến 1m ( f = 30 ÷ 300MHz) Sóng đềcimét: bước sóng từ 1m đến 10cm ( f = 300 ÷ 3000MHz) Sóng centimet: bước sóng từ 10cm đến 1cm ( f = 3GHz ÷ 30GHz) Sóng milimet: bước sóng ngắn hơn 1 cm (f cao hơn 30 GHz). 1.1.2.3.Anten. Anten và môi trường truyền sóng thay thế cho đường truyền để khép kín giữa nguồn và tải. Anten làm việc ở chế độ phát: là một thiết bị dùng để biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ định hướng thành các sóng điện từ tự do trong không gian. Chế độ thu thì ngược lại, anten là thiết bị biến đổi từ sóng điện từ lan truyền tự do trong không gian thành sóng điện từ ràng buộc để đưa đầu vào thiết bị thu. Yêu cầu đặt ra là làm thế nào để sau khi biến đổi tín hiệu không bị méo dạng. Phân loại anten: phụ thuộc vào phương pháp phân loại mà chia thành nhiều loại khác nhau như sau: Phân loại theo dải tần công tác có: anten sóng trung, anten sóng ngắn, anten sóng cực ngắn.. Phân loại theo kết cấu: anten dây, anten chấn tử, anten bức xạ mặt… Phân loại theo sử dụng: anten phát thanh, truyền hình, rađa, viba, vệ tinh… 1.1.3.Tín hiệu. Tín hiệu là dạng vật lý của thông tin, tín hiệu có thể là không khí, âm thanh.. Hoặc tín hiệu là một dạng vật chất có một đại lượng vật lý biến đổi theo quy luật tuyến tính. Tín hiệu âm thanh: là sự thay đổi của áp suất không khí đưa thông tin đến tai chúng ta. Tín hiệu hình ảnh: là sự thay đổi cường độ ánh sáng đưa thông tin đến mắt chúng ta. Có hai loại tín hiệu tổng quát: - Tín hiệu liên tục: nếu một tín hiệu có sự biểu diễn toán học có biến liên tục theo thời gian thì tín hiệu đó là tín hiệu liên tục theo thời gian. Liên tục ở đây là liên tục theo biến số. Nếu xét về hàm số thì có hai loại tín hiệu: + Tín hiệu tương tự: nếu hàm của tín hiệu liên tục lấy các giá trị liên tục thì tín hiệu đó gọi là tín hiệu tương tự (liên tục theo thời gian của cả biến số và hàm số) + Tín hiệu lượng tử: nếu hàm của tín hiệu rời rạc lấy các giá trị rời rạc thì tín hiệu đó gọi là tín hiệu lượng tử. - Tín hiệu rời rạc: nếu tín hiệu được biểu diễn bởi hàm của các biến rời rạc thì tín hiệu đó còn gọi là tín hiệu rời rạc. Rời rạc ở đây là rời rạc theo biến số. Nếu xét hàm số thì ta có hai loại tín hiệu: + Tín hiệu lấy mẫu: nếu hàm của tín hiệu rời rạc lấy các giá trị liên tục thì tín hiệu đó gọi là tín hiệu lấy mẫu. + Tín hiệu số: nếu hàm của tín hiệu rời rạc lấy các giá trị rời rạc thì tín hiệu đó gọi là tín hiệu số. 1.2.Khái niệm về sóng vô tuyến điện và phân dải sóng vô tuyến điện 1.2.1.Khái niệm. Các sóng vô tuyến điện (VTĐ) dùng trong kỹ thuật thông tin, tia hồng ngoại mà chúng ta cảm nhận được hiệu ứng nhiệt trên da hoặc ánh sáng thấy được từ màu tím đến màu đỏ, hay tia tử ngoại, tia X, tia Gama phát từ các chất phóng xạ…đều là những sóng có tần số khác nhau của bức xạ từ. Bức xạ điện từ còn gọi là sóng điện từ, nó có thể chuyển đổi lẫn nhau trong không gian truyền dẫn từ dạng điện trường sang dạng từ trường và ngược lại. Sóng điện từ lan truyền trong không gian với vận tốc 3.108 m/s. Nếu gọi c là vận tốc truyền sóng f là tần số (Hz) λ là bước sóng của bức xạ Ta có : f = c/λ Trong kỹ thuật thông tin vô tuyến điện có bước sóng λ tính bằng mét (m) hay centimet (cm). 1.2.2.Phân dải sóng vô tuyến điện. Trong các tài liệu khác nhau thì phân dải sóng vô tuyến điện khác nhau. Theo phân loại trước đây, những sóng điện từ nằm trong dải tần số có giới hạn dưới là f = 103Hz (tương ứng với bước sóng λ = 300Km) và giới hạn trên f = 1012Hz (tương ứng với bước sóng λ = 0,3mm) đều gọi là sóng vô tuyến hay sóng radio. Nhưng trong nghiên cứu thông tin vô tuyến thì nên phân theo phương thức truyền lan của sóng. Có các dải sóng chính : Dải sóng cực dài λ > 10km (f < 30 KHz) Dải sóng dài 10km >λ > 1km ( 30KHz <f < 300KHz) Dải sóng trung 1km> λ > 100m ( 300 KHz < f < 3 MHz) Dải sóng ngắn 100m > λ > 10m ( 3MHz < f < 30 MHz) Dải sóng cực ngắn 10m > λ > 1mm ( 30MHz < f < 300 GHz) - Dải sóng cực dài và dải sóng dài : mặt đất gần với môi trường điện dẫn nên sóng truyền lan chủ yếu là sóng bề mặt – sóng đất. λ lớn nên có khả năng nhiễu xạ qua các chướng ngại vật lớn →người ta sử dụng trong thông tin hàng không và hàng hải (ít sử dụng). - Dải sóng trung : truyền lan được cả sóng bề mặt và cả sóng tầng điện li (sóng trời). Đặc điểm sóng tầng điện li chỉ truyền lan được vào ban đêm, ban ngày tầng điện li hấp thụ. Sóng trung hiện nay chỉ khai thác ở phát AM quảng bá. - Dải sóng ngắn : mặt đất là môi trường bán dẫn điện nên hệ số suy hao α = lớn, truyền lan sóng bề mặt, đi được cự li gần nên truyền lan chủ yếu là truyền sóng tầng điện li (sóng trời). Nhờ có truyền lan sóng tầng điện li nên có khả năng truyền lan được xa khi công suất máy phát bé. Sóng ngắn được sử dụng nhiều trong thông tin. Trong lĩnh vực viễn thông hiện nay thông tin sóng ngắn là hệ thống thông tin dự phòng T3 của quốc gia (cáp quang – viba – sóng ngắn). - Dải sóng cực ngắn : truyền lan trong tầm nhìn thẳng (anten phát và thu nhìn thấy nhau). Ưu điểm : tín hiệu thu được ổn định, độ tin cậy cao, cự li thông tin gần. Hầu hết các lĩnh vực thông tin đều nằm ở dải sóng cực ngắn (phát thanh FM, truyền hình, hệ thống ra đa vi ba, di động….) Việc sử dụng những sóng ngắn nằm ngoài dải tần số phân theo băng sóng người ta gọi trực tiếp tên theo bước sóng hay tần số của nó. Ví dụ : thiết bị làm việc ở dải sóng µm ; nm (10-6 →10-9) Dải cực ngắn còn được gọi là dải siêu cao (viba). Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt là một số lĩnh vự công nghệ mới đã sử dụng những sóng điện từ có tần số vượt quá giới hạn của dải tần đã nêu ở trên. Do đó khái niệm về giới hạn của dải tần vô tuyến điện cũng cần được mở rộng hơn. Ngày nay, sóng vô tuyến điện được coi là những sóng điện từ có giới hạn dưới của dải tần số xuống tới 3.10-3 Hz (sóng miliHec), tương ứng với bước sóng 1011 m và gới hạn trên lên tới 1016 Hz, ứng với bước sóng 3.10-8 (sóng ánh sáng). Mỗi băng sóng có đặc điểm truyền lan riêng. Tuy nhiên giữa hai băng sóng gần nhau thì sự biến đổi đặc tính truyền lan của chúng thường là không rõ rệt. Trong môi trường đồng nhất, sóng truyền lan với vận tốc không đổi. Sự phân loại như trên là thích hợp cho việc nghiên cứu về sóng. Tuy nhiên để thuận tiện cho việc phân định tần số sử dụng cho các lĩnh vực hoạt động khác nhau, người ta chia nhỏ hơn 5 băng sóng trên thành 11 tần số, lấy khoảng từ 30 ÷ 300 GHz, tên các băng tần, phạm vi tần số và lĩnh vực cụ thể theo bảng (1.1) sau : Bảng 1.1: Bảng phân băng tần số vô tuyến Tên băng tần Tên viết tắt Phạm vi tần số Lĩnh vực sử dụng Tần số cực kỳ thấp ULF 30→ 300Hz Vật lý Tần số cực thấp ELF 300Hz →3KHz Thông tin dưới nước và trong lòng đất Tần số rất thấp VLF 3KHz →30KHz Vô tuyến đạo hàng thông tin di động trên biển Tần số thấp LF 30 →300KHz Vô tuyến đạo hàng thông tin di động trên không Tần số trung bình MF 300→ 3000KHz Phát thanh, thông tin hàng hải, vô tuyến đạo hàng Tần số cao HF 3MHz→ 30MHz Phát thanh sóng ngắn, thông tin di động các loại, thông tin quốc tế Tần số rất cao VHF 30 →300MHz Truyền hình và phát thanh sóng FM Tần số cực cao UHF 300 →3000MHz Truyền hình các loại thông tin di động, các loại thông tin cố định Tần số siêu cao SHF 3→ 30GHz Thông tin vệ tinh ra đa, viễn thông công cộng, vô tuyến thiên văn Tần số vô cùng cao EHF 30 →300GHz Vô tuyến thiên văn, ra đa sóng milimet, thông tin vệ tinh nghiên cứu và thí nghiệm Dưới milimet Sub milimet 300 →3000GHz Nghiên cứu và thí nghiệm 1.2.3.Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu lý thuyết Tìm hiểu việc truyền sóng chính là chúng ta phải khảo sát về sự lan truyền tự do của sóng điện từ ở dải tần số vô tuyến điện. Nhờ các sóng này mà ta có thể thiết lập các kênh thông tin vô tuyến với các cự ly thông tin rất lớn, không kể là trên mặt đất hay trong khoảng không vũ trụ. Mỗi kênh thông tin gồm có các thiết bị thu phát đặt ở các trạm đầu cuối, tin tức mang đi nhờ sóng điện từ lan truyền trong môi trường truyền sóng hay nói cách khác là việc thực hiện khép kín một kênh thông tin phải có môi trường truyền sóng. Chính vì vậy, môi trường truyền sóng chính là một bộ phận của kênh thông tin. Để đảm bảo chất lượng một kênh thông tin vô tuyến chúng ta phải đặc biệt quan tâm đến môi trường truyền sóng và khả năng đáp ứng của thiết bị đầu cuối một cách hợp lý nhất cho yêu cầu đặt ra, hay nói cách khác là ta phải lựa chọn thiết bị sao cho phù hợp về công suất phát, tần số làm việc sao cho phù hợp phương thức truyền sóng đúng đắn nhất mới có hiệu quả. Môi trường truyền sóng vô tuyến như lớp khí quyển, mặt đất.. sẽ có hai tác động lên sóng lan truyền trên đó. Tác động thứ nhất là làm giảm biên độ của sóng; tác động thứ hai là làm méo dạng tín hiệu (nếu là tín hiệu tương tự) và gây lỗi đối với tín hiệu dạng số do nhiễu. Vì vậy, khi nghiên cứu truyền sóng vô tuyến ta sẽ tập trung vào hai nhiệm vụ cụ thể như sau: Xác định cường độ trường tại đểm thu khi biết các thông số của máy phát và xác định điều kiện để thu được cường độ trường lớn nhất. Nghiên cứu sự phát sinh dạng méo tín hiệu hoặc gây lỗi trong quá trình truyền sóng và tìm biện pháp để làm giảm thiểu các lỗi đó. Ở đây vấn đề giảm yếu của sóng trong quá trình truyền lan bao gồm sự giảm yếu cường độ trường do bị sự phân tán tất yếu của năng lượng khi bức xạ và truyền lan, sự giảm yếu do sự hấp thụ của môi trường, giảm yếu khi sóng nhiễu xạ quanh các vật thể gặp phải trên đường truyền lan, hoặc bởi vật cản, sự khuếch tán các vật thể trong môi trường …. Vấn đề trước hết ta khảo sát tác dụng làm giảm yếu trường do sự phân tán tất yếu của năng lượng khi bức xạ truyền lan. Tìm ra phương thức truyền sóng tốt nhất (tín hiệu ảnh hưởng, đảm bảo sự trung thực và biên độ cho phía thu). 1.3.Công thức truyền sóng lý tưởng. Giả sử chúng ta có một không gian đồng nhất rộng vô hạn, trong khoảng không gian đó, chúng ta đặt một nguồn bức xạ đẳng hướng (là một anten chuẩn bức xạ năng lượng sóng điện từ về mọi phía là như nhau). P là công suất phát của nguồn (w) Nhiệm vụ của bài toán đặt ra là phải tính được giá trị trường ở một điểm thu M cách nguồn một khoảng là r (m). Qua M chúng ta vẽ một mặt cầu, tâm là nguồn phát (anten), bán kính r. Mật độ công suất bức xạ(trên một đơn vị diện tích) S=(W/m2) (1.1) Hình 1.1: Mật độ công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích Nếu biểu thị cường độ bằng vol/met (V/m) còn từ trường bằng ampe/met (A/m) thì ta sẽ có : S = Eh Hh (W/m) (1.2) Eh và Hh là giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường và từ trường. Các đại lượng này quan hệ nhau bằng hệ thức : H = E/ Zo (A/m) (1.3) Zo là trở kháng sóng của môi trường. Đối với môi trường là không khí thì : Zo = =120п (Ω) (1.4) Khi sóng lan truyền trong không gian tự do : Eh = 173. [mV/m] (1.5) P : công suất máy phát (Kw) D : hệ số định hướng của anten (lần) r : khoảng cách từ anten phát đến điểm xác định E (Km) Emax = Eh . Khi kể đến ảnh hưởng của mặt đất : Eh = 245. [mV/m] (1.6) Emax = Eh . (1.7) 1.4.Các phương thức truyền sóng. Mỗi băng sóng có phương thức truyền lan riêng, nhưng giữa hai băng sóng gần nhau sự biến đổi đặc tính truyền lan giữa chúng là không rõ rệt. Trong môi trường đồng nhất, sóng sẽ truyền lan theo đường thẳng với vận tốc không đổi. Khi sóng truyền lan gần mặt đất, sự có mặt của mặt đất bán dẫn điện, một mặt gây phản xạ sóng từ mặt đất, làm biến dạng cấu trúc của sóng và gây ra hấp thụ sóng trong đất; mặt khác, do mặt đất có dạng hình cầu, sóng truyền lan trên đó sẽ có hiện tượng nhiễu xạ. Nhưng ta biết hiện tượng nhiễu xạ chỉ xảy ra rõ rệt đối với những trường hợp khi kích thước của vật chướng ngại có thể so sánh được với bước sóng. Vì vậy, chỉ những sóng dài hoặc cực dài có bước sóng hàng trăm hoặc hàng nghìn mét thì mới thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ quanh mặt đất và dễ dàng phát sinh hiện tượng này. Tuy nhiên, cần chú ý rằng sự nhiễu xạ của sóng chỉ có thể xảy ra trên một phần mặt cong của trái đất và cả trong những điều kiện thuận lợi nhất (bước sóng dài nhất) sóng nhiễu xạ cũng không thể truyền lan vượt quá cự ly 300 - 400 km. Có các phương thức truyền sóng như sau : 1.4.1.Sóng đất. Khi sóng truyền lan gần mặt đất, sóng thường bị nhiễu xạ do cấu trúc vật lý của bề mặt trái đất. Sự có mặt của mặt đất bán dẫn điện, một mặt gây phản xạ sóng, mặt khác nó lại hấp thụ sóng, làm biến dạng cấu trúc của sóng,mặt khác bề mặt trái đất là một mặt cầu có cấu trúc địa lý gồ ghề, nhiều chướng ngại cho sự truyền lan của sóng. Những sóng vô tuyến điện truyền lan ở gần mặt đất theo đường thẳng hoặc bị phản xạ từ mặt đất, hoặc bị uốn cong đi theo độ cong mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ gọi là sóng đất. 1.4.2.Sóng tầng đối lưu. Tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp, có độ cao khoảng 10 đến 15km tính từ bề mặt trái đất. Đây là môi trường không đồng nhất, tính không đồng nhất của tầng đối lưu có nhiều dạng. Một dạng gây ra sự uốn cong quĩ đạo của tia sóng khi truyền trong đó và tạo khả năng để sóng có thể truyền đi xa trên mặt đất cong. Một dạng không đồng nhất khác gây ra sự khuếch tán sóng và những sóng khuếch tán đó có thể đạt tới khoảng cách 1000km kể từ mặt đất. Ảnh hưởng của hiện tượng khuếch tán chỉ biểu hiện rõ ở những sóng ngắn hơn 10m. Ảnh hưởng của sự uốn cong quĩ đạo sóng do tầng đối lưu biểu hiện ở những sóng có bước sóng dài hơn. Ngoài ra, trong một số trường hợp, với điều kiện khí tượng thích hợp thì tầng đối lưu lại truyền sóng theo kiểu “ ống sóng” và tại đó nó cho phép những sóng có bước sóng ngắn hơn (khoảng λ = 3m) truyền lan xa tới những cự ly 800 đến 1000km. Những sóng vô tuyến điện truyền đi tới các cự ly xa trên bề mặt đất do khuếch tán trong tầng đối lưu hoăc do tác dụng của “ống dẫn sóng” của tầng đối lưu được gọi là sóng tầng đối lưu. 1.4.3.Sóng tầng điện ly. Tầng điện ly là miền khí quyển có độ cao từ 60 đến 600km bao quanh trái đất. Do tầng khí quyển ngoài cùng nên tầng điện ly chịu ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ năng lượng mặt trời, của các hạt vũ trụ và các tác động khác làm cho khí quyển bị ion hóa, tạo nên một số lớn điện tử tự do ( khoảng 102 →106 điện tử trong một cm3). Đối với sóng vô tuyến điện thì tầng điện ly có thể xem là môi trường bán dẫn điện và sóng có thể phản xạ từ đó. Qua tính toán và thực nghiệm cho thấy rằng tầng điện ly chỉ có thể phản xạ được những sóng có bước sóng dài hơn 10m, với những sóng có bước sóng ngắn hơn thì tầng điện ly được coi là môi trường “trong suốt”. Do được phản xạ một hay nhiều lần mà sóng có thể truyền đi được tới những cự ly rất xa. Bên cạnh khả năng phản xạ sóng vô tuyến điện, do tầng điện ly có các miền không đồng nhất, nó có khả năng khuếch tán các sóng khi truyền tới. Vì vậy, những sóng có tần số rất cao có thể không phản xạ được ở tầng điện ly, nhưng do khuếch tán ở các lớp ion hóa nó vẫn có thể truyền tới những cự ly rất xa. Những sóng vô tuyến điện truyền tới những cự ly xa do phản xạ( một hoặc nhiều lần) hoặc do khuếch tán từ tầng điện ly được gọi là sóng tầng điện ly. 1.4.4.Sóng vũ trụ. Những sóng vô tuyến điện truyền lan giữa các trạm mặt đất và các vệ tinh bay quanh trái đất, hoặc với các con tàu trong khoảng không vũ trụ là những sóng không bị tầng điện ly cản trở bởi các hiệu ứng phản xạ, hoặc khuếch tán. Trong quá trình truyền lan, nó chỉ bị hấp thụ qua các vật cản như các đám mây mưa. Tần số càng cao sự suy giảm càng lớn, hay các đám mưa càng lớn thì sự suy hao càng nhiều. Những sóng truyền lan trực tiếp ( sóng thẳng) giữa mặt đất và các đối tượng khác ngoài vũ trụ được gọi là sóng vũ trụ. Chỉ những sóng có tần số cao từ 1GHz trở kên mới thích hợp với điều kiện truyền lan của sóng vũ trụ. 1.5.Nguyên lý Huyghen và miền Fresnel. 1.5.1.Nguyên lý. Để hiểu rõ một số đặc điểm truyền lan của sóng trên mặt đất cần biết những khái niệm về miền Fresnel. Việc biểu thị miền Fresnel lại dựa trên nguyên lý Huyghen. Ta coi mỗi mặt sóng bất kỳ bao quanh nguồn thực là tập hợp của vô số nguồn bức xạ thứ cấp (hay nguyên tố Huyghen), mỗi năng lượng bức xạ thứ cấp này lại tạo ra những mặt sóng mới. Trường nhận được ở điểm thu là kết quả giao thoa của những mặt sóng mới. M Hình 1.2: Sự giao thoa của các mặt sóng Theo nguyên lý Huyghen, người ta có thể tính được giá trị trường ở điểm thu bất kỳ trong không gian khi đã biết được trường trên một bề mặt nào đó. Giả sử nguồn của sóng sơ cấp đặt ở điểm A ( Hình 1.3) , kí hiệu S chỉ một mặt kín bao quanh A. M là một điểm bất kỳ nằm ngoài mặt kín. Giả sử ta đã có các trị số đã biết của trường trên mặt S. Đặt Ψ là kí hiệu của thành phần trường tại M. Ψs là trị số của thành phần ấy trên S. Khoảng cách từ S→M là r. A X M Hình 1.3: Trường ở điểm thu bất kỳ trong không gian Theo nguyên lý Huyghen, trường thứ cấp tạo ra bởi một số nguyên tố bề mặt tại điểm dS tại điểm M sẽ tỷ lệ với diện tích của mặt nguyên tố. Qua nghiên cứu tính toán người ta đã tìm được công thức áp dụng cho trường hợp mặt S là một mặt có hình dạng bất kỳ. Công thức Huyghen có dạng tổng quát như sau: φ = (1.8) Trên cơ sở công thức tổng quát, nhờ nguyên lý Huyghen người ta có thể tính được giá trị trường ở điểm thu bất kỳ mà không cần biết chính xác sự phân bố của nguồn thực. Tuy nhiên đây là một việc rất khó, nhưng qua nghiên cứu vấn đề này, nguyên lý Huyghen cho người ta xác định được các miền Fresnel mà trong đó miền Fresnel thứ nhất là rất quan trọng vì nó có ảnh hưởng rất lớn đến việc truyền sóng, vấn đề mà ta đang nghiên cứu. 1.5.2.Miền Fresnel. Giả sử có một đài phát tại A với bước sóng làm việc là λ. Để khảo sát ta vẽ một mặt cầu tâm A, bán kính l1 . Từ điểm thu M hạ một họ đường thẳng l cắt mặt cầu một đường tròn f1. Tiếp theo đó hạ một họ đường thẳng nữa có độ dài là l2 + 2 λ/2. Họ đường thẳng này lại cắt mặt cầu theo một đường tròn nữa f2. Tiếp tục như vậy, với độ dài đoạn thẳng hạ xuống mặt cầu ( từ M) có độ dài là : l1 A Fn l2 + 3 λ/2 ; l2 +4 λ/2 ; … l2 +n λ/2 M Hình 1.4: Miền Fresnel Các đường này chia hết mặt cầu thành các miền vành khăn và hai chỏm cầu. Các miền này theo thứ tự được gọi là miền Fresnel thứ nhất, thứ hai,…thứ n. Bán kính của các vòng tròn F1, F2,…., Fn được gọi là bán kính của các miền Fresnel thứ nhất…., thứ n. Năng lượng trường phát ra từ A đến M theo nguyên lý Huyghen sẽ bằng năng lượng trường tạo bởi tất cảcác miền Fresnel thứ nhất, thứ hai…., thứ n đưa đến điểm thu M. Qua nghiên cứu người ta thấy các miền Fresnel có đặc điểm: hai miền kề nhau có khoảng cách thu chênh nhau 0,5λ thì trường do chúng tạo ra ngược pha nhau, do vậy chúng triệt tiêu nhau. Như vậy người ta tính toán được rằng năng lượng thực sự đưa đến điểm thu M chỉ tương đương với năng lượng do nửa miền Fresnel thứ nhất tạo ra. Do vậy, ta phải xác định được bán kính miền Fresnel này. Để thuận tiện ta chọn bề mặt để lập miền Fresnel là mặt phẳng So, mặt phẳng này vuông góc với AM (hình 1.5) A l1 l2 bn M So Nn Hình 1.5: Xác định bán kính miền Fresnel (1.9) (1.10) (1.11) Ta có bán kính miền Fresnel thứ n (tính gần đúng) là : (1.12) Giả sử mặt phẳng So dịch chuyển theo đường lan truyền từ A →M. Giới hạn dịch chuyển sẽ vẽ nên quĩ tích cho một mặt phẳng ellipsoit. A M Hình 1.6:Hình Elipsoit với tiêu điểm A và M Vùng không gian được vạch là khoảng không gian quan trọng mà ta phải nghiên cứu tính toán trong quá trình thiết lập một kênh thông tin. 1.5.3.Khoảng hở Fresnel – Bài toán tính chiều cao anten. Theo nghiên cứu ở trên, vùng không gian quan trọng nhất đối với truyền sóng trực tiếp trong tầm nhìn thằng là nửa miền Elipsoit tròn xoay. Nhận hai điểm thu – phát ( A và M ) làm tiêu điểm. Bán kính của hai tiêu điểm được xác định theo công thức : F1 = b1 = (1.13) A M AH Vật cản Do vậy, khi tính toán chiều cao anten người ta yêu cầu khoảng cách từ trục nối hai điểm thu – phát đến vật cao nhất trên đường truyền ( hình 7) phải lớn hơn 1/2b1 hay F1 . Hình 1.7: Khoảng hở Fresnel Qua nghiên cứu tính toán người ta đã có công thức tính toán khoảng hở Fresnel (khoảng hở đường truyền ∆h) ∆h ≥ 0,6F1 F1 : khoảng hở Fresnel. Khoảng hở Fresnel là vô cùng quan trọng trong việc tính toán đường truyền trên địa bàn. Bài toán ví dụ : tính chiều cao tối thiểu của anten thu đặt tại Công an huyện Nho Quan, trên đường truyền cực ngắn Ninh Bình – Nho Quan (cự ly 30km đường chim bay). Khi biết anten phát tại Ninh Bình có chiều cao là 60m. Thiết bị sử dụng là máy bộ đàm Motorola có tần số công tác là 450MHz. Vật cản trên đường truyền là dãy núi Hoa Lư có chiều cao 120m nằm cách Nho Quan 5km. 60m 120m h1 Ninh Bình l1 = 25Km l2 =5Km N.Quan Hình 1.8: Bài toán ví dụ H2=? Bài toán đặt ra cho ta thấy, chiều cao anten đặt tại Nho Quan phải đảm bảo điều kiện của khoảng hở Fresnel cho phép là ∆h1 = 0,6F1. Như vậy ta phải tính F1 . Áp dụng công thức : = = 52,7(m) Khoảng hở cho phép là ∆h =0,6F1 = 52,7 .0,6 = 31,6(m) Chiều cao tối thiểu của anten đặt tại Nho Quan là x + h1 . Theo hình vẽ mô phỏng cho thấy tại vị trí vật cản cách Ninh Bình 25km thì chiều cao h1 chính bằng vật cản và khoảng hở cộng lại. 120 + 31,6 = 151,6 (m) Vậy tại Nho Quan (cách Ninh Bình 30km) thì chiều cao anten sẽ là : Trong bài toán trên các thống số về chiều cao anten, tần số công tác của thiết bị là có thật, chiều cao của vật cản là ví dụ. Trong thực tế thì dãy núi này còn cao hơn rất nhiều. Với kết quả bài toán trên cho thấy việc xây dựng một cột anten đảm bảo cho đường truyền thẳng vô tuyến sóng cựa ngắn là không khả thi. Do vậy chỉ có thể thông tin thông suốt bằng phương pháp khác hoặc phải thiết kế một đường truyền chuyển tiếp vô tuyến sóng cực ngắn mới đảm bảo được thông tin trên. Kết luận chương: Trong bối cảnh của sự phát triển bùng nổ khoa học công nghệ như hiện nay, những hiểu biết về lý thuyết thông tin, về truyền thông ngày càng quan trọng và cần được xem xét trong hoàn cảnh mới. Chương này khái quát một số khái niệm cơ bản, những vấn đề cơ bản về lý thuyết truyền sóng. Bắt đầu từ chương này chúng ta sẽ khảo sát về sự truyền lan của sóng điện từ ở dải sóng vô tuyến điện. Nhờ các sóng này mà ta có thể thiết lập các kênh thông tin vô tuyến với các cự li thông tin rất lớn, không kể là trên mặt đất hay trong khoảng không vũ trụ. Để hiểu rõ việc truyền lan của sóng trên mặt đất cần phải biết những khái niệm về miền Fresnel. Việc biểu thị miền Fresnel lại dựa trên nguyên lý Huyghen. Vì vậy ở đây sẽ nhắc lại một số khái niệm cơ bản xung quanh vấn đề này. Ngoài ra còn phải chú ý đến khoảng hở Fresnel vì khoảng hở Fresnel là vô cùng quan trọng trong việc tính toán đường truyền trên địa bàn. CHƯƠNG 2: NHỮNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN. š@&?› 2.1.Đặc điểm của mặt đất và phương pháp khảo sát. 2.1.1.Các thông số điện của đất. Khi nghiên cứu đặc điểm truyền lan của sóng đất, thường các điều kiện thực của mặt đất sẽ không được giữ lại nguyên vẹn mà nó được lý tưởng hóa đi.Những vấn đề được lý tưởng hóa là : a.Thay thế mặt đất thực và lồi lõm bằng mặt đất bằng phẳng tưởng tượng có hằng số điện môi và điện dẫn suất giống như mặt đất thực. Vấn đề xác định tính chất lồi lõm của mặt đất chỉ là tương đối so với bước sóng. Đối với sóng dài có bước sóng hàng nghìn mét hay hàng chục nghìn mét, tất cả các địa hình mặt đất trừ miền núi cao còn lại đều có thể xem là bằng phẳng hoàn toàn. Ngược lại, đối với các sóng thuộc dải sóng decimet và centimet thì chỉ với các lồi lõm nhỏ (gợn sóng trên mặt biển, cây cỏ ở cánh đồng v.v…) mặt đất cũng trở thành không bằng phằng. b.Bỏ qua sự biến đổi liên tục của chất đất trên đường truyền lan. Trong thực tế, giữa hai miền có chất đất khác nhau, các thông số của mặt đất thường biến đổi một cách từ từ, liên tục. Nhưng khi tính toán, để đơn giản, không thể tính đến sự biến đổi liên tục ấy mà phải xem như các thông số cảu đất biến đổi một cách đột biến. c.Bỏ qua sự biến đổi của chất đất theo chiều sâu. Đối với mặt đất thực, càng xuống sâu dưới mặt đất thì độ dẫn điện càng tăng do ở dưới sâu độ ẩm của đất cao hơn hoặc có nhiều mạch nước ngầm. Nhưng trong tính toán, để đơn giản ta bỏ qua đặc điểm này. d.Mặt đất thực tế thường cũng không đồng nhất. Vì vậy khi tính toán, người ta còn thay thế mặt đất thực không đồng nhất bằng mặt đất đồng nhất tưởng tượng (có tham số tương đương như thế nào để nó gây ra tổn hao cũng giống như đối với mặt đất thực). Khi thực hiện đơn giản hóa ở điểm thứ nhất, cần lưu ý thêm đến địa hình phức tạp của mặt đất. Nếu mặt đất gồm những địa hình có các lồi lõm nhỏ, ta có thể thay thế trực tiếp mặt đất lồi lõm bằng mặt đất bằng phẳng cùng với thông số điện. Trường hợp mặt đất gồm những địa hình có các lồi lõm đáng kể, khi thay thế bằng mặt đất phẳng cần đưa vào các thông số tương đương. Thông số tương đương được chọn sao cho giữa mặt đất thực và mặt đất bằng phẳng có sự hấp thụ giống nhau. Bảng 2.1 cho ta thông số tương đương của một số loại mặt đất khác nhau đối với dải sóng trung. Bảng 2.1: Thông số tương đương của một số loại mặt đất Loại mặt đất Giới hạn biến đổi Trị số trung bình Έ Σ έ σ Nước biển 80 1 ÷ 4,3 80 4 Nước ngọt 80 10-3 ÷ 2,4.10-2 80 10-2 Đất ẩm 10 – 30 3.10-3 ÷ 3.10-2 10 10-2 Đất khô 3 – 6 1,1.10-5 ÷ 2.10-3 4 10-3 Rừng cây 1,004 – 1,4 10-6 ÷ 10-5 1,2 10-5 Thành phố lớn 7,5.10-4 Miền rừng núi 7,5.10-4 2.1.2.Đặc điểm của mặt đất và phương pháp khảo sát. a.Khi nghiên cứu việc truyền sóng vô tuyến điện, mặt đất thường có tác động rất lớn đến quá trình truyền sóng. Do vậy, ta phải tìm hiểu những đặc điểm của mặt đất, từ đó có phương pháp nghiên cứu. Như ta đã biết cấu trúc địa lý của mặt đất rất phức tạp, mặt đất thực tế không bằng phẳng, song khi tính toán ta phải lý tưởng hóa đi. Ta coi mặt đất là bằng phẳng và có thông số điện tương đương ( độ dẫn điện ; hằng số điện môi, hệ số từ thẩm ξεμ. b.Mặt đất không đồng nhất, nhưng ta xem nó như đồng nhất khi khảo sát với các thông số điện tương đương. c.Mặt đất thay đổi liên tục theo khoảng cách đường truyền và theo độ sâu. Khi khảo sát ta vẫn coi là các thông số tương đối ổn định với các thông số điện tương đương. Vậy khi khảo sát ta phân vùng một cách tương đối ổn định theo địa hình : đồng bằng, sa mạc, rừng, núi, biển. 2.1.3.Các trường hợp truyền lan sóng đất. Mặt đất thực tế rất phức tạp. Ngoài sự phức tạp về cấu tạo chất đất còn có sự phức tạp về địa hình lồi lõm, về hình dạng, nghĩa là về việc đánh giá mặt đất là mặt phẳng hoặc mặt cầu v.v… Do tính chất phức tạp ấy, ta không thể tiến hành khảo sát một cách tổng quát bài toán về sự truyền lan sóng đất, tìm ra lời giải chung nhất mà phải tiến hành khảo sát những trường hợp riêng. Cách khảo sát này một mặt là đơn giản nhất, mặt khác nó cũng có ý nghĩa thực tế nhất định. Khi cự ly truyền sóng không lớn lắm, ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của độ cong mặt đất, coi mặt đất là mặt phẳng và khảo sát sự truyền sóng trên mặt đất phẳng bán dẫn điện. Trường hợp truyền sóng trên mặt đất phẳng cũng có thể phân thành các trường hợp khi anten đặt thấp và anten đặt cao. Khi khoảng cách giữa máy phát và máy thu lớn, không thể coi mặt đất là mặt phẳng mà phải xem nó là mặt cầu. Ở đây cũng có thể phân làm hai trường hợp chính khi anten đặt cao, lúc anten thu và phát đều nằm trong giới hạn nhìn thẳng và trường hợp tổng quát khi anten nằm trong miền khuất, để truyền tới điểm thu sóng phải uốn cong theo mặt cong Trái đất nhờ hiện tượng nhiễu xạ. Trường hợp truyền sóng trên mặt đất gồ ghề cũng có thể phân thành các trường hợp riêng, khi anten phát và thu trực tiếp nhìn thấy nhau và khi trên đường truyền lan có những vật chắn. Trong phần này, chúng ta đề cập chủ yếu tới vấn đề truyền sóng trên mặt đất khi phẳng và lần lượt khảo sát hai trường hợp khi anten đặt cao và khi anten đặt thấp. 2.2.Các ảnh hưởng của mặt đất đến truyền sóng vô tuyến điện. 2.2.1.Ảnh hưởng của độ cong mặt đất đến cự ly thông tin cực đại trong tầm nhìn thẳng. Khi thiết kế một kênh truyền sóng cự ngắn, nhất là khi kênh truyền đó sử dụng phương thức liên lạc trong tầm nhìn thẳng. Xét đến ảnh hưởng này cho ta phương án cụ thể để thiết kế chiều cao anten thu - phát sao cho hợp lý và hiệu quả nhất. Giả sử ta có bán kính trái đất là a, độ cao anten phát là h1, độ cao anten thu là h2 . Ta có : ABmax = (2.1) Người ta tính toán được rằng : ABmax = (2.2) Để dễ dàng trong tính toán người ta đưa ra công thức sau: A B h1 h2 a a = 6378 Km h1 = 100 Km h2 = 50Km AB = ? ABmax = (km) (2.3) VD : Với bài toán ví dụ trên thì : ABmax = Kết quả bài toán cho ta thấy nếu sử dụng phương thức liên lạc trong tầm nhìn thẳng thì chiều cao anten giả tưởng như trên chỉ có thể liên lạc tốt trong cự ly cách nhau 60,69km. 2.2.2.Ảnh hưởng của mặt đất khi anten đặt cao. Khi khảo sát ảnh hưởng của mặt đất đối với anten đặt cao, ta phải phân biệt rõ khái niệm về “anten đặt cao” và “anten cao”. Với “anten đặt cao” là anten có bộ phận bức xạ từ nằm ở cao so với mặt đất (ít nhất cũng gấp nhiều lần bước sóng). Như vậy, bộ phận bức xạ được tiếp điện bằng dây fiđơ không bức xạ từ, dây fiđơ chuyển năng lượng từ máy phát đặt tại mặt đất lên. Còn “anten cao” là anten phát xạ bằng chính tháp cao của anten đó. Trong thực tế thì “anten đặt cao” được dùng cho sóng cực ngắn và sóng ngắn. Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của mặt đất đến anten đặt cao, đặt thấp là rất cần thiết. Sau đây ta tìm hiểu cụ thể từng trường hợp. a.Đối với anten đặt cao. Aten đặt cao là anten có tâm bức xạ đặt ở độ cao h >> λ → anten đặt cao chỉ đúng với anten làm việc ở giải sóng cực ngắn (λ <10m). Phương pháp nghiên cứu : 1 2 h2 h2 Trường hợp sóng truyền lan trên mặt phẳng với anten đặt cao là trường hợp đơn giản nhất và có thể khảo sát bằng phương pháp quang hình. Có nghĩa là khi đó trường tại điểm anten thu có thể được xem như là trường giao thoa của tia trực tiếp và tia phản xạ : Hình 2.1: Anten đặt cao (mặt đất phẳng) Nếu ta coi mặt đất là một mặt phản xạ với thông số điện tương đương , sóng truyền từ A đến B đi theo 2 đường chính : Truyền thẳng từ A→B. Từ mặt đất phản xạ đến điểm thu B. 1 2 h2 h2 E2 E1 EM 2' Như vậy, trường nhận được ở điểm thu sẽ là kết quả giao thoa của 2 điểm trên. Hình 2.2: Anten đặt cao (mặt đất phản xạ) Qua tính toán người ta nhận được kết quả : EThu = (mV/m) (2.4) Công thức này được Van de Sky đưa ra 1922. Qua việc khảo sát với kết quả của công thức giao thoa ở trên, ta thấy tia phản xạ từ mặt đất thường là gây tác dụng làm yếu đi đường cường độ trường ở điểm thu. Nếu chọn quan hệ giữa các thông các thông số của đường truyền một cách hợp lý ta có thể làm giảm độ ảnh hưởng xấu của phản xạ hay nói cách khác là tăng cường độ trường ở điểm thu. Như ta biết cường độ trường của tia trực tiếp được xác định bởi : EThu = (mV/m) (2.5) Trong khi ấy, giá trị hiệu dụng của trường tổng đo ở điểm thu xác định bởi : EThu = (mV/m) (2.6) Giới hạn cực đại của tỷ số được nêu ở bảng 2.2 Bảng 2.2: Giá trị cực đại của tỷ số Bước Giá trị cực đại của Hướng Sóng Biển Đất ẩm Đất khô phân R=1 Φ=1800 R=1 Φ=1800 R=1 Φ=1800 cực Λ=10m 8.10-4 10-3 8.10-3 6.10-3 10-2 0,25 Đứng Λ=1cm 3.10-3 0,1 8.10-3 0,3 10-2 0,25 Λ=10m Bất kỳ Bất kỳ 0,08 Bất kỳ 0,045 Bất kỳ Ngang Λ=1cm 0,25 - 0,08 - 0,045 - Trường tổng Eh sẽ bằng trường của tia tới trực tiếp khi thực hiện đẳng thức : (2.7) Và ta nhận được : (2.8) Biểu thức cho ta thấy sự lựa chọn chiều cao anten thu – phát sao cho thích hợp là rất cần thiết, việc lựa chọn các thông số của một đường thông tin như thế nào đấy, giữa chúng đảm bảo để thực hiện đẳng thức : hay Thì trường thu được ở điểm thu sẽ lớn gấp 2 lần trường của tia tới trực tiếp tạo ra. Thực tế mặt đất không phẳng mà là mặt cầu a=6400km. Ta phải đưa và về đứng trên mặt đất phẳng. a= 6400Km h'1 h1 h1 h'2 h2 h2 Hình 2.3: Anten đặt cao (mặt đất là mặt cầu) (2.9) Nếu anten h1 và h2 cho trước ta tìm được cự ly xa nhất trong tầm nhìn thẳng ro . Với cự ly đó h1 = ∆h1 h2 = ∆h2 (2.10) (2.11) (2.12) Với ro không thông tin được trong tầm nhìn thẳng vì không thõa mãn miền Fresnel (h ≥ 0,6 H1 ) hoặc để thỏa mãn miền Fresnel thì cự ly thông tin xa nhất trong tầm nhìn thẳng r là : r ≤ 0,8 ro b.Truyền sóng khi anten đặt thấp. Anten đặt thẳng đứng. XM Mặt đất Theo phương pháp ảnh gương mặt đất như một mặt gương phản xạ qua mặt gương phản xạ đó nhận được một anten ảnh đối xứng anten thật qua bề mặt đất. Người ta xác định được rằng : Hình 2.4: Anten đặt thẳng đứng Dòng điện trong anten ảnh hưởng có cùng biên độ, cùng chiều với dòng điện trong anten thật. Vì vậy, giá trị trường nhận được tại điểm M (khi rất xa nguồn) sẽ tăng gấp lần. Người ta đưa ra công thức tính giá trị trường nhận được ở điểm thu : (2.13) Trong tính toán cụ thể ta có công thức thực hiện : l1 l2 (2.14) Anten đặt nằm ngang. Mặt đất Hình 2.5: Anten đặt ngang Trong trường hợp này theo lý thuyết ảnh gương ta cũng nhận được một anten ảnh đối xứng anten thật qua bề mặt đất. Dòng điện trong anten ảnh có cùng biên độ với dòng điện trong anten thật nhưng ngược chiều nên trường nhận được ở điểm thu sẽ là 0 (đây là một hiện tượng được giải thích cho người sử dụng máy bộ đàm cầm tay trong khi liên lạc để máy nằm ngang, do vậy mất liên lạc mặt đất). 2.2.3.Truyền sóng trên mặt đất phẳng. Đối với sóng dài và cực dài, mặt đất trở nên bằng phẳng và có tính dẫn điện tốt. Sóng truyền lan theo phương thức sóng đất có thể truyền đi được rất xa vì bị hấp thụ ít. Cự ly truyền sóng có thể lên tới hàng ngàn Km. Trong quá trình sóng lan truyền sóng bị suy hao do hấp thụ bởi mặt đất. Bước sóng cáng dài sóng càng bị hấp thụ càng nhỏ. Xét đến ảnh hưởng hấp thụ của mặt đất chúng ta có công thức truyền sóng sau : (2.15) Ở đây F là hệ số suy hao hay hệ số hấp thụ sóng bởi mặt đất và 0 < F < 1 Công thức trên là công thức Sunlay kin –Van der Pol. Ngoài ra khi tính đến bước sóng làm việc ta có công thức sau : (2.16) Trong đó: : là giá trị hiệu dụng của dòng điện ở đế anten. : là chiều cao hiệu dụng của anten. λ : bước sóng. F : hệ số suy giảm. Phạm vi có thể áp dụng công thức Sulaykin-Vander Pol không vượt quá các giới hạn cực đại nêu ở bảng 2.3 Bảng 2.3: Bảng giá trị cực đại áp dụng được công thức Sunlaylin -Vanderpol Bước sóng (m) Giá trị cực đại của khoảng cách áp dụng được công thức(km) 200-2000 300-400 50-200 50-100 10-50 10 Kết luận chung: Trong chương này, chúng ta đề cập chủ yếu tới vấn đề truyền sóng trên mặt đất khi phẳng và lần lượt khảo sát hai trường hợp khi anten đặt cao và khi anten đặt thấp. Trong thực tế thì “anten đặt cao” được dùng cho sóng cực ngắn và sóng ngắn. Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của mặt đất đến anten đặt cao, đặt thấp là rất cần thiết. CHƯƠNG 3: TRUYỀN SÓNG š@&?› 3.1.Truyền sóng trong tầng đối lưu. 3.1.1.Cấu tạo và đặc tính của tầng đối lưu. 3.1.1.1..Cấu tạo. Tầng đối lưu là tầng dưới cùng của khí quyển sát Trái đất, trải từ mặt đất lên đến độ cao khoảng 8 -10 km ở các vĩ tuyến cực, khoảng 10-12 km ở các vĩ tuyến trung bình và khoảng 16-18 km ở miền nhiệt đới. Suốt bề dày của tầng đối lưu, chất khí có thành phần không đổi giống như ở trên mặt đất. h 60 18 0 Điện ly Bình lưu Đối lưu P Hình 3.1.Cấu tạo tầng đối lưu 3.1.1.2.Đặc tính tầng đối lưu. - Thành phần khí quyển có 78% là N2 ,21% là O2 và một số chất khí khác như H2 , CO2 , Ar .....và hơi nước. - Áp suất khí quyển giảm dần theo độ cao (ở bề mặt đất áp suất 1013mbar giảm xuống 120mbar/km chiều cao ). - Áp suất khí quyển đặc trưng cho mật độ chất khí và hơi nước. là áp suất chất khí là áp suất hơi nước Áp suất khí quyển luôn giảm theo độ cao. giảm nhanh hơn (khi h=10÷13km thì → 0). Nếu tầng khí quyển đồng nhất và nhiệt độ không đổi, áp suất khí quyển sẽ biến đổi theo qui luật : (3.1) : là áp suất tại độ cao H : là áp suất tại độ cao =0 (tại mặt đất) k = 1,38.10-16 ec/độ mol : là hằng số Boltzman T : nhiệt độ Kenvin (0K) Thực ra thành phần của chất khí không phải cố định mà nó thay đổi theo độ cao. Vì vậy, kết quả tính toán theo công thức trên có thể có sai số. Những kết quả đo lường thực nghiệm cho ta biết giá trị trung bình của áp suất khí trong tầng đối lưu ở một vài độ cao như sau : Bảng 3.1: Bảng giá trị trung bình của áp suất khí ở một vài độ cao Độ cao (km) Áp suất trung bình (mbar) Mặt đất 1041 5 km 538 11 km 225 17 km 90 - Tính chất quan trọng nhất của tầng đối lưu là nhiệt độ khí quyển cũng giảm dần theo độ cao (cứ lên cao 1km nhiệt độ giảm khoảng 5,50C ). Gradient trung bình theo phương thẳng đứng của nhiệt độ tầng đối lưu khoảng 60/km (ở nửa dưới của tầng đối lưu trị số đó vào khoảng 50/km và ở nửa trên khoảng 70/km ). Nhiệt độ trung bình của không khí ở giới hạn trên của tầng đối lưu, trong các miền cực vào khoảng -550C và ở miền nhiệt đới khoảng -800C. Giới hạn trên của tầng đối lưu được xác định tại chỗ gián đoạn của sự giảm nhiệt độ theo dộ cao. Nguyên nhân của sự giảm nhiệt độ theo độ cao có thể được giải thích như sau: sự đốt nóng tầng đối lưu chủ yếu là do tỏa nhiệt của mặt đất. Như vậy, việc đốt nóng được thực hiện từ bên dưới còn ở các lớp trên được thực hiện thông qua hiện tượng đối lưu. Cũng có trường hợp ở một khoảng nào đó trong tầng đối lưu lại có hiện tượng nhiệt độ tăng theo độ cao. Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng nghịch nhiệt độ (đảo nhiệt độ). Hiện tượng đảo hiệt độ có vai trò khá quan trọng trong sự truyền sóng tầng đối lưu. - Chiết suất khí quyển thay đổi độ cao. - Độ ẩm của không khí. Hơi nước chứa trong tầng đối lưu được tạo ra do sự bốc hơi của mặt nước trên mặt đất dưới tác dụng của bức xạ mặt trời. Vì vậy, tầng khí quyển ở trên các đại dương ẩm hơn tầng khí quyển trên đất liền. Lượng hơi nước giảm nhanh theo chiều cao. Ví dụ, ở độ cao 1,5km, lượng hơi nước trong không khí nhỏ hơn mặt đất khoảng hai lần còn ở giới hạn trên của tầng đối lưu thì nó nhỏ hơn hàng trăm lần. 3.1.1.3.Hệ số điện môi trong tầng đối lưu.(ε’) Trong vật lý ta xem Với nguyên lý truyền sóng ε’>1 vì trong môi trường tồn tại E, H nên có tồn tại phân cực (3.2) (3.3) Trong đó : hệ số phân cực khí hệ số phân cực hơi nước. Gọi n là chỉ số chiết suất trong tầng đối lưu. N là hệ số chiết suất. (3.4) Ta đặt : N = (n-1)106 (3.5) Trong điều kiện thường hay khí quyển tiêu chuẩn thì (3.6) 3.1.2.Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện. Để xét ảnh hưởng của tầng đối lưu đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện, người ta phải khảo sát được các thông số chủ yếu đặc trưng cho tính chất của tầng đối lưu. Trong phần khảo sát sau đây ta còn dùng khái niệm “tầng khí quyển tiêu chuẩn” hay “tầng đối lưu thường”. Đó là tầng đối lưu giả định, phản ánh tình trạng trung bình của tầng đối lưu thực bao quanh Trái đất. Đó là : P0 : áp suất của tầng khí quyển = 1013mbar R = 8,31 . 10-7 éc/độ mol , là hằng số chất khí T : nhiệt độ tuyệt đối M : trọng lượng của phân tử chất khí g : gia tốc trọng trường. Tuy nhiên ta chỉ khảo sát ở tầng đối lưu trung bình. Qua khảo sát người ta đã qui ước sẽ có các tính chất sau : - Ở mặt đất : Áp suất P = 1013mbar. Nhiệt độ T = 150C . Độ ẩm tương đối S = 60%. - Mỗi khi tăng chiều cao 100m thì : Áp suất P giảm đi 12mbar. Nhiệt độ T giảm đi 0,550C. Độ ẩm tương đối của tầng đối lưu vẫn bảo toàn suốt theo độ cao. - Giới hạn trên của “tầng đối lưu trung bình” là 11km. a.Ảnh hưởng của sự biến thiên của chiết suất (n) theo độ cao đến đường đi của tia sóng. Bằng phương pháp thực nghiệm, kết quả nghiên cứu cho biết : n thay đổi theo độ cao rất ít, khoảng 0,003 trong phạm vi tầng đối lưu (n=1). Để đánh giá sự thay đổi này người ta đua vào khái niệm chỉ số chiết suất N : N = 106 (n -1) Qua phương pháp tính toán, người ta xác định được N thay đổi theo độ cao (tầng đối lưu ) là tương đối đều đặn và bằng : ; () (3.7) Trong tính toán người ta thường lấy : (3.8) b.Ảnh hưởng của tầng đối lưu đối với truyền sóng đất được nêu ra bằng công thức : (3.9) Do ảnh hưởng của tính chất khí quyển thay đổi theo độ cao, tia sóng truyền trong tầng đối lưu sẽ uốn cong. Bán kính cong của tia sóng khoảng 25000km. Do tia sóng truyền cong nên công thức tính toán ở trên (khi coi tia sóng là truyền thẳng) không còn đúng nữa. Để sử dụng được công thức này người ta có biện pháp sau : aa a+d Chuyển đổi hệ qui chiếu : R = 25000Km (1) R=∞ (2) Hình 3.2: Ảnh hưởng của tầng đối lưu đối với truyền sóng đất Trong hệ qui chiếu (1) “ thực” và bán kính a = 6378km, chúng ta quan sát thấy một tia sáng hình cong với bán kính cong R ≈ 25000km. Giả sử chúng ta giãn độ cong của trái đất a = a + d thì chúng ta quan sát thấy những tia sóng giãn độ cong (R tăng). Như vậy, chúng ta có thể chuyển đổi hệ qui chiếu (1) sang hệ qui chiếu (2) , ở đó bán kính đã tăng giá trị a lần tương đương sao cho ta quan sát thấy tia sóng là truyền thẳng. Trong toán học việc chuyển đổi giữa hai hệ qui chiếu này là tương đương. Nếu chúng ta thỏa mãn điều kiện sau : Như vậy để sử dụng công thức đã xây dựng ở trên ta chỉ việc thay đổi a = atd Ví dụ công thức truyền sóng : (Km) (3.10) Khi coi tia sóng là truyền thẳng , lúc này : (Km) (3.11) Ta có công thức gần đúng : (Km) (3.12) c.Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến truyền sóng trong tầm nhìn thẳng. Khi tia sóng đi qua hai lớp có n khác nhau sẽ bị khúc xạ. (3.13) Vậy trong tầng đối lưu một tia sóng đi không song song các lớp sẽ bị khúc xạ liên tục và bị uốn cong với bán kính R. Khí quyển thường Nếu : bề lõm lên trên, có hại cho truyền sóng tầm nhìn thẳng → không xảy ra. n4 4 3 n3 2 n2 n1 1 R R a Nếu tia sóng có bề lõm xuống dưới cùng chiều với a → có lợi cho truyền sóng tầm nhìn thẳng. (3.14) Hình 3.3: Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến truyền sóng trong tầm nhìn thẳng Công thức giao thoa tính với tia sóng truyền thẳng. Thực tế trong tầng đối lưu bị uốn cong.. Để sử dụng giao thoa ta đưa về khái niệm bán kính trái đất tương đương . - Khi tia sóng đi trên a thì bị uốn cong với bán kính R. - Khi tia sóng đi trên thì truyền thẳng. (3.15) - Với khí quyển thường a - Với > a : (3.16) - Với r không đổi : (3.17) 3.1.3.Ảnh hưởng của hiện tượng pha đinh và biện pháp khắc phục. Hiện tượng pha đinh là hiện tượng trường điểm thu thay đổi theo thời gian ( lúc mạnh lúc yếu ). Hiện tượng này xuất hiện khi đường đi của tia sóng biến động do sự thay đổi chiết suất khi tia sóng đi qua. MF Hình 3.4: Hiện tượng pha đinh Để khắc phục, người ta phân tập theo không gian, tức là cùng lúc người ta sử dụng hai hay nhiều anten phát (hoặc thu) để cùng thu –phát cùng lúc một tín hiệu trên một tần số. Nếu khoảng cách giữa các anten máy phát hoặc thu này đủ xa thì đường đi của các tia sóng là độc lập và như vậy chúng không chịu tác động của pha đinh một cách đồng thời. Đài phát Đài thu mưa (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 + 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 : (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 : (không xảy ra trong tầng đối lưu) Khúc xạ âm : Khúc xạ thương : R h O No N a Hình 3.7: Khúc xạ thương atd= Khúc xạ tới hạn : h O No N Hình 3.8: Khúc xạ tới hạn atd<0 Siêu khúc xạ : R a R < a ; <0 Hình 3.9 :Siêu khúc xạ R<a Hình 3.10: Siêu khúc xạ <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 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 : (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. (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 lớn thì P tăng làm cho tổn hao càng nhiều, khi đó hạt nước lớn , tần số cao, nên bước sóng λ giảm nhỏ. + Truyền sóng 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. Tầng điện ly 600Km Tầng Ozon 60Km Tầng bình lưu 30Km Tầng đối lưu 15Km Mặt đất 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% 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 = = 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). 300Km Số điện tích/1Cm2 ( Mật độ điện tích N,O đã được phân ly) Hình 3.12: Mật độ điện tích 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 = = 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 không đều theo độ cao. Năng lượng để cho phân ly khác nhau, xuất hiện, hình thành các lớp khác nhau. 3.2.2.2.Đặc điểm các lớp trong tầng điện ly. D E F N Hình 3.13: Các lớp trong tầng điện ly - 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 sát ta thường dùng phương pháp gián tiếp nghĩa là thông qua việc đánh giá sự truyền lan của sóng dài để xác định được đặc điểm của lớp. Các số liệu thông thường như sau: Chiều cao từ 60÷90km. Mật độ điện tử : Ne =102 ÷ 103(e/cm3) . Lớp D chỉ tồn tại vào ban ngày, ban đêm biến mất vì ban ngày năng lượng bức xạ của mặt trời lớp D được phân ly. Khi hết bức xạ ánh sáng mặt trời thì lớp D có áp suất lớn, tần số va chạm f lớn (=1÷2MHz) do đó, tái hợp nhanh, Ne →0 , nằm trong dải sóng trung nên khi tồn tại lớp D năng lượng của không trung cung cấp cho các điện tử, ion va chạm còn phản xạ về mặt đất. Do vậy không truyền lan sóng trung được vào ban ngày. Các công trình nghiên cứu trong những năm gần đây cho biết, ở độ cao của lớp D, cấu tạo của tầng điện ly rất không đồng nhất và nó có caaus trúc như các đám mây. Mật độ điện tử trong từng phần của tầng điện ly có thể khác nhiều so với giá trị trung bình của chúng. Nguyên nhân của cấu tạo không đồng nhất là do các dòng chuyển động xoáy cảu chất khí do gió gây ra. Sự không đồng nhất nêu ở trên có thể gây hiệu ứng khuếch tán sóng, giống như sự khuếch tán khi truyền sóng trong tầng đối lưu. Lớp E : là lớp đầu tiên quan sát được bằng sóng vô tuyến điện. Các số liệu thông thường như sau: Có độ cao từ 90÷120km. Mật độ điện tử Ne =104÷105(e/cm3). Lớp E là lớp tương đối ổn định nhất về cả độ cao cũng như mật độ điện tử, ít chịu ảnh hưởng của các nhiễu loạn làm ảnh hưởng đến thông tin vô tuyến điện. Do vậy ở đoạn đầu sóng ngắn f< 10MHz được sử dụng lớp E phản xạ. Đặc điểm : Mật độ điện tử của lớp E có đặc tính biến đổi theo mùa rõ rệt, nó đạt được cực đại vào mùa hạ và cực tiểu vào mùa đông. Vào ban ngày mật độ điện tử lớn hơn vào ban đêm. Trong 1 ngày mật độ điện tử cao nhất là vào lúc 12÷14h và thấp nhất là vào 1 ÷ 4h . - Lớp F: độ cao 200÷400km. Mật độ điện tử Ne = 5.104 ÷ 106 (e/cm3). Lớp F là lớp không ổn định về cả độ cao cũng như mật độ điện tử. Diễn biến ngày và mùa của mật độ điện tử lớp F phức tạp hơn lớp E rất nhiều. Ban ngày lớp F chia làm 2 lớp : (200÷280km).Mật độ điện tử Ne = 5.104 ÷ 5.105 (e/cm3) (300÷400km).Mật độ điện tử Ne = 105 ÷ 106 (e/cm3) Ban đêm có độ cao tăng và có độ cao giảm thành F có độ cao h= 260÷340km. Mật độ điện tử Ne = 104 ÷ 105 (e/cm3). Lớp F1 : các đặc điểm của lớp này gần giống với lớp E. Lớp F2 : là lớp rất không ổn định. Ngay trong những ngày yên tĩnh nhất, mật độ điện tử cũng biến đổi từ 10 -15% so với trị số trung bình. Cùng với sự biến đổi mật độ điện tử thì chiều cao cũng biến đổi khá nhiều. Phân bố theo địa lí của mật độ điện tử lớp F2 không những có sự phụ thuộc vào vĩ độ mà còn phụ thuộc cả vào kinh độ và có liên quan đến vĩ độ từ. Đặc điểm này có thể được giải thích bởi sự ion hóa lớp F2 không phải chỉ gây ra do bức xạ quang của mặt trời mà còn do cả bức xạ hạt. Lớp F có Ne lớn dù độ cao h không ổn định nhưng vẫn khai thác để phản xạ đoạn tần số cao của sóng ngắn từ 10÷30MHz. Lớp F là lớp đóng vai trò chủ yếu trong việc phản xạ sóng ngắn và có một số tầm quan trọng đặc biệt đối với thông tin vô tuyến điện. Ngoài ra còn có lớp bất thường Es. Trong tầng điện ly, bên cạnh các lớp điều hòa, tồn tại và biến đổi theo các qui luật tương đối xác định ta còn thấy xuất hiện các lớp bất thường. Lớp bất thường phổ biến hơn cả là loại xuất hiện ở độ cao 90 ÷ 120 km, tức là độ cao lớp E nên gọi là Es. Những lớp này có cấu tạo như những đám mây điện tử tụ tập trong một miền hẹp, và có thể dịch chuyển với vận tốc khoảng 150 - 250 km/h. Mật độ điện tử của lớp Es có thể cao hơn lớp E, nhiều khi cao hơn cả lớp F. Vì vậy, trong những trường hợp thuận lợi nó có khả năng phản xạ cả những sóng có tần số rất cao. 3.2.2.3.Đặc tính chung của lớp Es. Tính chất bất thường theo thời gian. Sự xuất hiện của Es không thường xuyên, đều đặn. Vì vậy, tất cả các quy luật của nó chỉ có tính chất thống kê. Ở một thời gian nào đó, ta chỉ có thể nói đến xác suất xuất hiện của nó mà thôi. Xác suất xuất hiện của lớp Es có tần số giới hạn vượt quá một trị số nào đấy, tại các thời gian khác nhau được cho bởi các biểu đồ dự báo. Xác suất xuất hiện của Es cũng biến đổi theo giờ trong ngày và theo mùa. Thời gian xuất hiện của lớp Es có thể từ vài phút đến vài giờ. Tính chất bất thường theo không gian. Lớp Es không chỉ có tính chất “bất thường” theo thời gian mà còn theo cả phân bố không gian. Thường gặp trường hợp khi ở một vị trí này xuất hiện Es với cường độ mạnh, phản xạ được những tần số rất cao thì ở cách nó độ vài trăm km, cũng thời gian đó hoàn toàn không thấy Es xuất hiện. Phụ thuộc vào vĩ độ địa lý. Ở các vĩ độ Nam, thường thấy xuất hiện Es vào các giờ ban ngày. Ở miền xích đạo, quan sát thấy Es gần như thường xuyên. Ở các vĩ độ trung bình (miền ôn đới) về mùa hạ, thường thấy Es xuất hiện khoảng 50 -70% thời gian, nghĩa là từ 15- 20 ngày trong một tháng, còn về mùa đông rất hiếm. Cấu tạo của lớp Es không phải là một miền đồng nhất mà nó có dạng mắt lưới, nghĩa là có những khu vực tập trung mật độ điện tử và những khoảng trống. Vì vậy, đối với sóng vô tuyến điện nó không phải là một màn chắn như các lớp ion khác mà nó là một màn chắn không hoàn toàn, vừa có thể phản xạ với tần số rất cao, vừa có thể để một phần lớn năng lượng của sóng đi qua. Vì vậy, trong trường hợp sử dụng lớp Es để liên lạc, yêu cầu công suất của máy phát cũng lớn hơn so với dùng các lớp thông thường. c.Hệ số điện môi trong tầng điện ly. Hệ số điện môi (ε) trong tầng điện ly ngoài chất khí còn có các e và các ion. (3.23) Độ điện dẫn phụ thuộc Ne (người ta chứng minh được → bán dẫn điện, tính chất môi trường phụ thuộc Ne) Để truyền sóng tầng điện ly, lúc này sóng được phản xạ từ tầng điện ly. Để phản xạ từ tầng điện ly là lớp có Ne khác nhau. 3.2.3.Đặc điểm truyền sóng tầng điện ly. Ảnh hưởng của tầng điện ly đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện. 3.2.3.1.Đặc điểm truyền sóng tầng điện ly. Nguyên lý truyền sóng gần giống truyền sóng siêu khúc xạ nghĩa là như tính chất phản xạ liên tục, sóng đi xa tần số phát (fphát) bé nhưng ổn định hơn so với siêu khúc xạ vì các lớp trong tầng điện ly luôn luôn tồn tại. Khi truyền sóng trong tầng điện ly luôn tồn tại 1 vùng im lặng (vùng câm). Nguyên nhân do xuất hiên một vùng mà sóng đất, sóng bề mặt không đi tới, sóng tầng điện ly phản xạ về vượt quá. Khi truyền sóng trong tầng điện ly có hiện tượng pha đinh lớn. Pha đinh định nghĩa là cường độ trường tại điểm thu bị thay đổi theo thời gian. - Pha đinh nhanh : pha đinh xảy ra có tính chất tức thời ,không có qui luật thường có độ sâu lớn, tỷ số lớn → khó khắc phục. - Pha đinh chậm : pha đinh xảy ra có tính chất chu kỳ theo ngày, theo mùa, theo năm, theo chu kỳ hoạt động của mặt trời. Truyền sóng tầng điện ly nguyên nhân gây nên pha đinh. Ne luôn luôn thay đổi, điểm phản xạ thay đổi, cường độ trường E tại điểm thu thay đổi. Do giao thoa của nhiều tia cùng đến điểm thu có số lần phản xạ khác nhau. Do tán xạ của sóng ở tầng điện ly, một tia sóng lên đến tầng điện ly sau khi phản xạ về tạo thành một chùm tia tại điểm thu được giao thoa của nhiều chùm tia → thay đổi. Tán xạ mặt đất: do mặt đất không phẳng nên tại điểm thu giao thoa tia tán xạ và tia tới trực tiếp. Do đó, thay đổi. 3.2.3.2.Phương thức truyền sóng trời( sóng tầng điện ly ) Do tầng điện ly là tầng bán dẫn điện nên người ta dùng nó như một lớp phản xạ để truyền sóng đi xa. Đây là phương thức tiện lợi nhưng không phổ biến. Trong phương thức truyền sóng này,người ta thường thông tin trong khoảng thời gian ngắn và cố định trong ngày, hoặc thay đổi theo tần số công tác, phương thức thông tin này thường có cự ly thông tin rất xa tới hàng ngàn Km. Trong thông tin tầng điện ly, thường hay gặp hiện tượng pha đinh vì thông tin trong tầng điện ly thường sử dụng sóng ngắn nên gọi là hiện tượng pha đinh sóng ngắn. Ngoài ra còn gặp các hiện tượng : Hiện tượng hồi âm sóng Hiện tượng được giải thích như sau : trong những ngày thời tiết tốt , sóng truyền đi theo phương thức phản xạ tầng điện ly sẽ được truyền đi rất xa nhờ hiện tượng “ống dẫn sóng”. Sóng truyền đi theo phương thức này có thể tham gia truyền một vòng, thậm chí nhiều vòng. Nếu hiện tượng sóng dội đúng ở điểm thu thì ta sẽ có hiện tượng hồi âm (hiện tượng tia sóng đi được hai lần tia sóng vòng quanh trái đất khoảng 0,1s). Hiện tượng miền im lặng Trong thông tin sóng ngắn, khi bước sóng nhỏ hơn 50m, đài phát trung bình sử dụng hai phương thức truyền sóng : phương thức truyền sóng tầng điện ly và phương thức truyền sóng đất. Người ta quan sát được như sau : Miền câm A B Thu tốt Hình 3.14: Hiện tượng miền im lặng Lúc đầu thu tốt (từ A→B), sau đó không thu được, từ vị trí (B→C), sau điểm C trở đi lại thu tốt đến hàng ngàn Km. Hiện tượng nội phản xạ. Do mật độ điện tích trong tầng điện ly không thay đổi một cách nhảy vọt nên chiết suất khí quyển của tầng điện ly bị khúc xạ uốn cong rồi mới bị phản xạ xuống mặt đất. Hiện tượng một tia sóng không bị phản xạ ngay ở lớp bề mặt tầng điện ly mà phản xạ lại ở vị trí nằm sâu trong lớp được gọi là hiện tượng nội phản xạ. Để xác định việc này người ta làm bằng các như sau: chia tầng điện ly thành nhiều lớp sử dụng (lớp D, lớp E thành nhiều lớp mỏng), sao cho trong mỗi lớp không khí mật độ điện tích được coi là đồng đều. Ta có : (*) φ1 φ2 φn=900 θ0 θ1 θ2 Hình 3.15: Hiện tượng tới hạn xảy ra phản xạ Trong đó : f là tần số làm việc của máy phát Ne là mật độ điện tích lớp phản xạ Công thức (*) cho ta thấy góc tới hạn (hiện tượng tới hạn xảy ra phản xạ ) cho phép tia sáng phản xạ quay lại trái đất. Góc tới hạn phụ thuộc vào mật độ điện tích lớp phản xạ và tần số làm việc của máy phát. Những tia sóng đi tới lớp điện ly có góc tới hạn đều không phản xạ lại trái đất. Lúc đó tầng điện ly được coi là môi trường trong suốt. Lớp sử dụng Lớp D A B Ogh Rõ ràng với quan niệm góc tới hạn ở trên thì AC sẽ là cự ly thông tin nhanh nhất có thể có được đối với phương thức truyền sóng. Điều này giúp ta giải thích miền im lặng. A B C Hình 3.16: Giải thích hiện tượng miền im lặng AB trong hình vẽ chính là bán kính tối đa khi ta sử dụng phương thức truyền sóng đất, bán kính này là 100km đối với đài phát có công suất trung bình, sử dụng bước sóng λ < 50m. Còn bán kính ngoài của miền im lặng (BC) vẽ trên là cự ly thông tin ngắn nhất có thể có trong phương thức truyền sóng tầng điện ly. 3.3.Truyền sóng của các dải sóng. 3.3.1.Truyền sóng dài và sóng trung. 3.3.1.1.Đặc điểm truyền lan của sóng dài. Sóng dài là những sóng vô tuyến điện có bước sóng λ nằm trong khoảng từ 1Km → 10 Km, với những sóng có bước sóng lớm hơn 10km được gọi là những sóng cực dài. Trong quá trình truyền lan trên bề mặt trái đất, sóng dài ít bị hấp thụ vì mặt đất được coi là có tính dẫn điện tốt. Trong quá trình truyền lan, sóng bám theo độ cong của mặt đất theo phương thức nhiễu xạ và truyền đi được khá xa. Dựa vào đặc điểm trên mà khi cần người ta có thể sử dụng phương thức này để truyền tin đi ở những cự ly xa hàng ngàn km. Trong quá trình tính toán đường truyền, ở những cự ly ngắn khoảng 500km đến 600km ta có thể áp dụng công thức Sulay kin - Vander Pol. Nếu truyền ở cự ly xa hơn từ 600km đến 3000km thì cần thiết phải tính toán đến hiện tượng nhiễu xạ. Với những cự ly trên 3000km, phải truyền sóng với phương thức phản xạ qua tầng điện ly. 3.3.1.2.Đặc điểm truyền lan của sóng trung. Sóng trung là những sóng có bước λ nằm trong khoảng từ 100m đến 1000m (tương ứng f=3MHz →300KHz). Sóng trung được ứng dụng chủ yếu trong phát thanh, nó có thể truyền lan bằng sóng đất cũng như sóng tầng điện ly. Để đơn giản hơn người ta gọi là sóng trời. Với cự ly thông tin nhỏ ,khoảng 500 đến 600km có thể áp dụng công thức Sulay kin - Vander Pol để tính cường độ trường. Trong khảo sát thực nghiệm, người ta cho biết rằng cự ly truyền lan của sóng trung bằng cự ly truyền lan của sóng đất và không vượt quá 700km. Để tìm hiểu về sóng trung người ta đã đưa ra những đặc điểm chủ yếu như sau : Sự biến đổi điều kiện truyền sóng về ban đêm,ban ngày. Ban đêm sóng trung truyền lan bằng phản xạ lớp E. Do lớp E có mật độ điện tử tương đối lớn nên có thể phản xạ tốt. Vì vậy, với sóng trung về ban đêm có thể truyền lan bằng cả hai phương thức sóng đất và sóng trời. Ban ngày, do sự xuất hiện của lớp D là lớp có mật độ điện tử nhỏ, vì vậy sóng khó phản xạ được mà lại bị hấp thụ rất mạnh. Do vậy, để truyền sóng có hiệu quả về ban ngày người ta sử dụng phương thức truyền lan sóng đất. Hiện tượng pha đinh của sóng trung. Như đã nói ở trên, về đêm sóng trung có thể truyền lan bằng cả hai phương thức sóng đất và sóng trời. Hiện tượng sự giao thoa giữa sóng đất và sóng trời tại điểm thu được gọi là pha đinh. 2 2' 1 1 Tia 1 đi nhanh hơn tia 2 do chỉ phản xạ một lần Giải thích hiện tượng này, qua khảo sát người ta thấy rằng : do mật độ điện tử của tầng điện ly thay đổi luôn nên chiều cao phản xạ của sóng cũng thay đổi, dẫn đến máy thu cũng không đều nhau. Kết quả của sự thay đổi ấy làm cường độ trường tại điểm thu thay đổi, do vậy tín hiệu lúc to, lúc nhỏ. Đó chính là hiện tượng pha đinh. Hình 3.17:Hiện tượng pha đinh của sóng trung Để chống hiện tượng pha đinh, người ta thường dùng anten có khả năng bức xạ năng lượng tập trung mạnh theo hướng mặt đất, với hướng của anten như trên, thành phần sóng trời sẽ giảm còn thành phần sóng đất sẽ tăng. Do vậy, giảm bớt sự giao thoa giữa sóng trời và sóng đất. 3.3.2.Sóng ngắn. 3.3.2.1.Những đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn. Những sóng vô tuyến điện có bước sóng từ 100m đến 10m (ứng với tần số từ 3 →30MHz) được gọi là sóng ngắn. Sóng ngắn cũng có thể truyền lan bằng cả hai phương thức sóng đất và sóng phản xạ qua tầng điện ly. Đối với sóng ngắn, khả năng truyền xa bị hạn chế do hấp thụ của mặt đất, khi tần số tăng thì sự hấp thụ của mặt đất đối với sóng đất tăng. Với máy phát trung bình chỉ có thể thiết lập được một kênh thông tin cự ly khoảng vài chục km với sóng đất. Nếu cần lập một kênh thông tin cự ly xa hơn ta phải thực hiện truyền bằng phương thức sóng tầng điện ly. Khi đó chỉ cần dùng máy phát cỡ trung bình cũng có thể thông tin được với những cự ly rất xa, tới hàng nghìn km. Sóng ngắn được áp dụng trong thông tin phát thanh cự ly lớn một cách rất rộng rãi và hiệu quả. So với việc sử dụng sóng dài và sóng trung, sử dụng sóng ngắn có những ưu điểm sau : Có thể dùng anten có hướng tính cao, do vậy tiết kiệm được công suất phát. Sự hấp thụ tầng điện ly (lớp D ) nhỏ hơn sóng trung. Những đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn cần nghiên cứu gồm : a.Khoảng tần số công tác. Khi thiết kế đường truyền cho một kênh thông tin cự ly lớn, người ta thường dùng sóng ngắn phản xạ lớp F. Như vậy, trên đường đi sóng phải xuyên qua các lớp D, E và chịu sự hấp thụ của các lớp này. Để có thể thu được sóng ở một cự ly nhất định xa đài phát, cần phải thực hiện các điều kiện : Sóng phải phản xạ được trên tầng điện ly, tức là phải thực hiện được điều kiện phản xạ. Cường độ trường điểm thu phải đủ lớn, nghĩa là sóng không bị hấp thụ nhiều bởi tầng điện ly. 4 F E D 1 3 2 3' B C A D Hình 3.18: Các lớp phản xạ Hai điều kiện trên cho thấy dải tần số công tác được quy định một cách giới hạn. Để sóng có thể phản xạ được tần số làm việc của đài phát không được cao quá. Điều kiện thứ nhất qui định giới hạn trên của dải tần công tác, điều kiện thứ hai qui định giới hạn dưới của tần số công tác. Ứng với điều kiện cho trước của một kênh thông tin như công suất máy phát, góc tới của sóng, tần số thấp nhất để khi sóng phản xạ trên tầng điện ly khi trở về anten máy thu vẫn còn đủ lớn để làm việc gọi là tần số sử dụng thấp nhất. Vì mật độ điện tử của tầng điện ly biến đổi theo thời gian ngày, đêm nên giới hạn của dải tần số công tác cũng biến đổi theo thời gian ngày, đêm. 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. 2' 1 2 A B A B (b) (a) Hình 3.19: Hiện tượng pha đinh sóng ngắn 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. 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. (a) (b) Hình3.20: Hiện tượng hồi âm Phát thu Phát Thu 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 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 : , V/m (3.26) Cường độ trường của một tia sóng khi không xét đến hấp thụ của tầng điện ly: (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 : (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 băng sóng này được dùng chủ yếu vào việc truyền hình, ra đa, phát thanh điều tần, thông tin cự ly lớn. Sự truyền sóng có thể thực hiện trên cả ba phương thức : sóng trời, sóng đất và sóng trong tầng điện ly. Để khảo sát tiện lợi ta phân loại các trường hợp truyền lan như sau : 1. Truyền sóng trong giới hạn tầm nhìn thẳng ro. Ở đây ta sẽ khảo sát hai trường hợp : Cự ly nhỏ 5→6km (r < 0,2 ro). Cự ly lớn 50 →60km (0,2 ro < r < 0,8 ro ) Truyền sóng trong miền đồi núi hay trong thành phố lớn khi có vật chướng ngại trên đường truyền lan . Truyền sóng đi xa do khúc xạ và khuếch tán trong tầng đối lưu(200→600km) Truyền sóng đi xa do khúc xạ và khuếch tán trong tầng điện ly (cự ly thông tin lớn hơn 1000km). 3.3.3.2.Truyền sóng cực ngắn trong tầm nhìn thẳng. Sóng cực ngắn khó nhiễu xạ quanh mặt đất cũng như quanh những chướng ngại vật khác. Để bức xạ loại sóng này người ta thường sử dụng anten đặt cao. Khi anten đặt càng cao thì tầm nhìn càng lớn và tất nhiên sẽ vượt qua nhiều chướng ngại vật ở tầm thấp, cự ly thông tin sẽ được xa hơn. Chiều cao đặt anten trên mặt đất thường lớn hơn bước sóng khá nhiều, vì vậy, khi tính toán cường độ trường của sóng người ta có thể áp dụng các công thức giao thoa do Van de Sky đưa ra năm 1922. (mV/m) Với cự ly nhỏ hơn khá nhiều giới hạn tầm nhìn thẳng (r < 0,2 ro ), để khi tính toán cường độ trường ta có thể áp dụng các công thức giao thoa khi không tính đến độ cong mặt đất và ảnh hưởng khúc xạ khi quyển trong tầng đối lưu. Đặc điểm của sự truyền sóng cực ngắn trong trường hợp này là tính ổn định cường độ trường khá cao. Với cự ly lớn, nằm trong giới hạn 0,2 ro < r < 0,8 ro (50 →60km ). Khi tính toán ta phải chú ý đến độ cong mặt đất và áp dụng các công thức giao thoa nói trên, đồng thời phải tính đến ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển. Khi truyền sóng cự ly lớn, do sự thay đổi điều kiện khúc xạ khí quyển, trường ở điểm thu sẽ bị pha đinh. 3.3.3.3.Truyền sóng cực ngắn trong miền đồi núi và thành phố. Dọc đường sóng truyền lan, do cấu tạo vật lý của vỏ trái đất, mặt đất không bằng phẳng mà lồi lõm. Do vậy quá trình sóng truyền ,nó cũng bị phản xạ nhiều hướng theo chính sự gồ ghề của mặt đất dọc đường truyền lan. Để cụ thể hơn ta phân ra các trường hợp cụ thể sau : a.Đường truyền lan đi qua phía trên của các mô nhỏ và ít dốc Trong trường hợp này, giả sử anten được đặt cao trên sườn dốc, sóng bức xạ có thể truyền tới điểm thu bằng nhiều đường khác nhau. Hình 3.22 dưới đây minh họa điều này : A C1 C1’ Đài F ' C2 Đài T C1’’ C2’ Hình 3.22: Anten đặt trên sườn dốc Như vậy trường ở điểm thu sẽ nhận được do sự giao thoa của sóng tới trực tiếp AB và các sóng phản xạ A, C1 , C1’ , C1” , B. Để tính cường độ trường ở điểm thu, ta vẫn có thể áp dụng công thức giao thoa. Tuy nhiên sẽ khá phức tạp vì có nhiều tia phản xạ. A B h1’ h2’ C Hình3.23: Đường truyền có nhiều mô nhỏ Trường hợp trên đường truyền có nhiều mô nhỏ (hình 3.23 ) giả sử tại điểm C chỉ có một tia phản xạ truyền tới điểm B. Khi ấy để tính toán cường độ trường, có thể áp dụng công thức giao thoa nhưng phải thay anten có chiều cao thật bằng chiều cao giả h1’ và h2’ và coi mặt đất là mặt phẳng, tiếp tuyến với mặt đất ở điểm phản xạ. b.Đường truyền lan gặp vật cản là các mô cao. Trường hợp đường truyền lan đi qua các mô cao, tại đỉnh của các mô ấy sẽ có hiện tượng nhiễu xạ sóng, để tính được giá trị gần đúng của cường độ trường có thể áp dụng các kết quả của lý thuyết nhiễu xạ sóng điện từ. Nếu mô chắn cắt ngang đường thẳng nối giữa hai anten, đường truyền lan sẽ được coi là đường “chắn kín”, còn trường hợp nếu