Truyền lan sóng cực ngắn

CHƯƠNG 2 TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.1 Các chủ đề được trình bày trong chương - Các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn - Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiêp với các điều kiện lý tưởng - Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi kể đến ảnh hưởng của địa hình - Ảnh hưởng của tầng đối lưu không đồng nhất 2.1.2 Hướng dẫn - Hoc kỹ các phần được trình bày trong chương - Tham khảo thêm [1], [2], [3] - Trả lời các câu hỏi và bài tập 2.1.3 Mục đích của chương - Nắm được các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn - Nắm được các công thức tính toán trường khi truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng và trong các điều thực tế (có xét đến ảnh hưởng của địa hình và của tầng đối lưu) - Hiểu về hiện tượng pha đinh và biện pháp chống 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN Như đã giới thiệu ở chương 1, sóng cực ngắn là những sóng có tần số từ 3 MHz đến 300 GHz (ứng với bước sóng nhỏ hơn 10 m) và được chia thành 4 băng: Sóng mét: bước sóng từ 10 m đến 1m (30 - 300 MHz) Sóng decimét: bước sóng từ 1m đến 10 cm (300 - 3000 MHz) Sóng centimét: bước sóng từ 10 cm đến 1cm (3000- 30.000 MHz) Sóng milimétt: bước sóng ngắn hơn 1cm (tần số cao hơn 30.000 MHz) 2.2.1 Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu Tầng đối lưu là lớp khí quyển trải từ bề mặt trái đất lên đến độ cao khoảng 8 - 10 km vĩ tuyến cực, khoảng 10 - 12 km ở các vĩ tuyến trung bình và 16 - 18 km ở vùng nhiệt đới. Tầng đối lưu là một môi trường có các tham số thay đổi theo thời gian và không gian. Các hiện tượng khí tượng như mưa, bão, tuyết... đều xảy ra trong tầng đối lưu. Bởi vậy tầng đối lưu là một môi trường không đồng nhất. Nếu một vùng nào đó trong tầng đối lưu không đồng nhất với môi trường xung quanh, theo nguyên lý quang, một tia sóng đi vào vùng không đồng nhất sẽ kị khuếch tán ra mọi phía. Sơ đồ tuyến thông tin theo phương thức tán xạ tầng đối lưu được vẽ ở hình 2.1 A B C C1 D V Hình 2.1. Sự khuếch tán sóng trong tầng đối lưu Giả sử anten phát đặt tại A, giản đồ tính hướng của nó được giới hạn bởi hai đường AC và AC1 và chiếm một thể tích nhất định của tầng đối lưu. An ten thu đặt tại B, giản đồ tính hướng của nó được giới hạn bởi hai đường BC và BD. Hai giản đồ này giao nhau tại thể tích V, thể tích này sẽ tham gia vào quá trình truyền sóng tán xạ và đươc gọi là thể tích tán xạ. Nếu trong thể tích V cấu tạo của khí quyển không đồng nhất, nghĩa là trong đó có những miền mà hệ số điện môi cục bộ khác với hệ số điện môi của môi trường xung quanh thì sóng đi vào vùng này sẽ bị khuếch tán ra mọi phía và một phần sẽ được truyền tới anten thu. Trong thực tế phương thức thông tin này ít được sử dụng do độ tin cậy kém, pha đinh sâu, yêu cầu công suất máy phát lớn và tính hướng anten cao. 2.2.2 Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu. Ở một khoảng chiều cao nào đó của tầng đối lưu nếu chiết suất biến thiện theo quy luật (1/m) thì tia sóng đi vào tầng đối lưu sẽ bị uốn cong với độ cong lớn hơn độ cong quả đất, minh họa trong hình 2.2. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu. Giả thiết miền siêu khúc xạ trải từ mặt đất lên đến độ cao h0, đồng thời ở độ cao lớn hơn h0 chiết suất biến thiên theo quy luật giống như đối với tầng đối lưu thường. Đặt tại A một nguồn bức xạ, những tia sóng có góc xuất phát lớn hơn so với mặt phẳng nằm ngang (tia 1 và tia 2) sẽ bị khúc xạ ít và nó xuyên qua miền siêu khúc xạ mà không bị giữ lại. Ta ký hiệu ath là góc giới hạn mà khi sóng xuất phát theo góc đó sẽ bị uốn cong theo đường giới hạn ở độ cao h0 (bán kính cong của tia sóng bằng bán kính trái đất, tia 3). Tất cả các tia có góc xuất phát a < ath đều bị uốn cong trở về mặt đất và phản xạ nhiều lần để truyền đi xa. Hình ảnh sóng truyền đi xa khi có hiện tượng siêu khúc xạ giống với quá trình truyền sóng trong một ống dẫn sóng mà thành trên của ống dẫn là giới hạn trên của miên siêu khúc xạ và thành dưới là mặt đất. Lợi dụng tính chất trên của miền siêu khúc xạ để truyền lan sóng cực ngắn đi xa. Tuy nhiên miền siêu khúc xạ xảy ra bất thường, độ cao và chiều dài của miền siêu khúc xạ cũng luôn luôn thay đổi nên sử dụng phương pháp truyền lan bằng siêu khúc xạ tầng đối lưu thông tin bị thất thường và không liên tục. Chính vì thế phương pháp này cũng không sử dụng cho thông tin vi ba. 1 2 3 4 5 4’ 5’ a4 agh h0 A Hình 2.2 Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu 2.2.3 Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp Hai phương pháp thông tin trên không được sử dụng rộng rãi vì các nhược điểm của nó, phụ thuộc nhiều vào điều kiện thiên nhiên. Bởi vậy, thông tin vi ba thường sử dụng phương pháp truyền lan trong phạm vi nhìn thấy trực tiếp. Nghĩa là hai anten thu và phát phải đặt cao trên mặt đất để không bị che chắn bởi các chướng ngại vật có trên mặt đất, như chỉ ra trong hình vẽ. Hình 2.3. Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp Phần duới đây ta sẽ xem xét kỹ phương pháp truyền lan này. 2.3 TRUYỀN LAN SÓNG TRONG GIỚI HẠN NHÌN THẤY TRỰC TIẾP VỚI CÁC ĐIỀU KIỆN LÝ TƯỞNG 2.3.1 Tính cường độ trường trong trường hợp tổng quát - công thức giao thoa Để đơn giản trước hết ta nghiên cứu quá trình truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với giả thiết môi trường ở các điều kiện lý tưởng. Đó là: mặt đất phẳng, bỏ qua độ cong và độ ghồ ghề của mặt đất, khí quyển đồng nhất, không hấp thụ và anten đặt cao so với mặt đất ít nhất vài bước sóng công tác. Lúc này quá trình truyền sóng được mô tả như hình 2.4. Tia 2 Tia 1 C B A ht hr r Hình 2.4. Mô hình truyền sóng trong điều kiện lý tưởng Như vậy tại điểm thu B có một tia đi thẳng trực tiếp trong tầng đối lưu (được giả thiết là không gian tự do) (tia 1), gọi là tia tới trực tiếp, và một tia phản xạ từ mặt đất tại điểm C (tia 2) đi đến. Chỉ có một tia phản xạ đến điểm B vì với giả thiết mặt đất phẳng, chỉ có tia 2 là thoả mãn điều kiện góc tới bằng góc phản xạ đối với điểm B. Cường độ trường tại điểm B sẽ là sự tổng cường độ trường của tia tới 1 và tia phản xạ 2 gây ra. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng giao thoa. Giả thiết độ dài đường truyền là r, chiều cao anten phát và thu là ht, hr. Bằng phép tính hình học có thể tìm được điểm phản xạ C từ mặt đất, góc nghiêng D và hiệu số đường đi giữa tia phản xạ từ mặt đất và tia tới trực tiếp Dr. Cường độ điện trường tại điểm thu do tia tới trực tiếp truyền trong không gian tự do sẽ là: (mV/m) (2.1) Chọn hệ toạ độ sao cho góc pha đầu của tia tới trực tiếp bằng 0. Cường độ điện trường tại điểm thu của tia phản xạ sẽ là : (mV/m) (2.2) Trong đó: - r1 : đoạn đường đi của tia tới trực tiếp, bằng AB trên hình - r2 : đoạn đường đi của các tia phản xạ, bằng AC + BC hình - Dr: là hiệu số đường đi của tia phản xạ và tia trực tiếp Dr = r1-r2 - k : hệ số sóng bằng 2p/l - : Hệ số phản xạ phức từ mặt đất: , R là mô đun, q góc pha phụ thuộc vào loại đất tại điểm phản xạ và phân cực của sóng. Các giá trị này thường được tính sẵn bằng bảng hoặc đồ thị. GT1 và GT2 là hệ số khuếch đại của anten phát theo hướng tia trực tiếp và tia phản xạ Trong công thức hệ số G ở hướng tia tới và tia phản xạ coi như bằng nhau và bằng GT, vì trong thực tế một tuyến vi ba bao giờ cũng thoả mãn điều kiện độ cao anten ht, hr << r, bởi vậy phương bức xạ của tia 1 và 2 gần như trùng nhau. Cũng vì r >> ht, hr nên có thể coi r1» r2 » r, ở phần biên độ. Nhưng vì bước sóng công tác ở giải sóng vi ba rất bé, góc sai pha do đường đi khác nhau giữa tia trực tiếp và tia phản xạ lại không thể bỏ qua được vì l » Dr, thay các điều kiện trên vào các công thức (2.1) và (2.2) ta sẽ nhận được: (mV/m) (2.3) Cường độ điện trường của tia phản xạ sẽ là : (mV/m) (2.4) Cường độ điện trường tổng hợp tại B bằng: (mV/m) (2.5) hay (mV/m) (2.6) Trong đó: q+Dr2p/l góc sai pha toàn phần. Giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường tại B được xác định theo công thức: (mV/m) (2.7) Công thức trên được gọi là công thức giao thoa, để xác định cường độ trường tại điểm thu khi sóng truyền lan trên mặt đất phẳng và anten đặt cao so với mặt đất. So sánh (2.7) với công thức (1.18) của truyền lan sóng trong không gian tự do, trong trường hợp sóng truyền trên mặt đất phẳng có hệ số suy giảm F bằng: (2.8) F biểu hiện cho ảnh hưởng của mặt đất phẳng lên quá trình truyền lan sóng không gian ở cự ly nhìn thấy trưc tiếp trực tiếp, khi anten đặt cao trên mặt đất. Chú ý rằng thuật ngữ hệ số suy giảm ở đây chỉ có ý nghĩa tương đối và có điều kiện, bởi vì giá trị cực đại của F có thể lớn hơn 1. Trong công thức R là modun hệ số phản xạ và q là góc sai pha khi phản xạ, chúng phụ thuộc vào góc tới, tính chất của đất và sự phân cực của sóng. Các giá trị này thường được tính sẵn theo bảng hay đồ thị. Hiệu đường đi của tia phản xạ từ mặt đất và tia tới trực tiếp được xác định theo phương pháp hình học. B B’ hr -ht Tia 2 Tia 1 C A ht hr Hình 2.5. Xác định hiệu số đường đi Dr hr +ht r hr (2.9) Các công thức trên chưa tính đến yếu tố phân cực, hoặc nói chính xác hơn chỉ đúng với sóng có phân cực ngang, lúc đó vectơ cương độ trường của tia tới và vectơ cường độ trường của tia phản xạ là cùng phương. Nếu sóng có phân cực thẳng đứng (hình 2.6) thì lúc đó vectơ vuông góc với tia AB còn vectơ vuông góc với tia CB, như vậy chúng sẽ có phương kkhác nhau. Tính toán chính xác trong trường hợp này theo tổng hợp vectơ và với góc lệch tương ứng giữa chúng có giá trị gần đúng là . Trường tổng hợp có thể xem cùng phương với trục đứng. Hình 2.6. Vectơ E1 và E2 trong trường hợp sóng phân cực thẳng đứng a a E2 E1 B Tia 2 Tia 1 C A ht hr Như vậy, nếu sóng phân cực ngang thì trường tổng hợp sẽ là phân cực ngang và nếu sóng phân cực đứng thì trường tổng hợp có thể xem là phân cực đứng. Thay giá trị của Dr ở công thức (2.9) vào công thức (2.8) ta có (2.10) Ví dụ 2.1. Xác định hệ số suy giảm và cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu khi đường truyền có các thông số sau: công suất phát 15W, bước sóng truyền lan là 35cm, hệ số khuếch đại của anten phát là 200, chiều cao anten phát là 80m, chiều cao anten thu là 20m, cự ly đường truyền là 8km. Biết khi sóng phân cực ngang R = 0,91 và q = 1800 và khi sóng phân cực đứng R = 0,68 và q = 1800 Giải Theo công thức (2.9) hiệu số quãng đường đi là (m) Thay các giá trị vào công thức (2.10) tìm được Khi sóng phân cực ngang: F = 0,83 hay F = 20 lg 0,83 = -1,6 (dB) Khi sóng phân cực đứng: F = 0,783 hay F = 20 lg 0,712 = -2,1 (dB) Theo công thức (2.7) giá trị cường độ trường tại điểm thu sẽ là: Khi sóng phân cực ngang: (mV/m) Khi sóng phân cực đứng: (mV/m) 2.3.2 Các dạng đơn giản của công thức giao thoa Trong thực tế độ cao của anten phát và thu nhỏ hơn rất nhiều so với khoảng cách giữa chúng nên góc nghiêng d của tia phản xạ từ mặt đất sẽ nhỏ đến mức có thể xem R = 1 và q = 1800. Thay vào các công thức (2.6) và (2.8) và biến đổi ta sẽ nhận được (2.11) Và (mV/m) (2.12) Công thức (2.12) có thể đơn giản hơn được nữa nếu đạt được điều kiện Hay Khi ấy có thể thay thế gần đúng Lúc này công thức giao thoa có dạng đơn giản nhất (mV/m) (2.13) Công thức (2.13) do Vêdenski đưa ra năm 1922 nên được gọi là công thức Vêdenski. Ví dụ 2.2. Xác định hệ số suy giảm và cường độ trường tại điểm đặt anten thu với các thông số sau: công suất phát 50 W, bước sóng 10 cm, hệ số khuếch đại của anten phát là 60; chiều cao của anten phát và anten thu lần lượt là 25m và 10m; khoảng cách giữa hai anten là 10km, R = 1 và q = 1800. Giải: Hệ số suy giảm được xác định theo công thức (2.11) Như vậy, hệ số suy giảm ở đây không đúng như tên gọi, mà trường tổng hợp tại điểm thu sẽ tăng lên gấp hai lần. Cường độ điện trường tại điểm thu được các định theo (2.12) (mV/m) Ví dụ 2.3 Như ví dụ 2.2 nhưng bước sóng bằng 1m. Giải: Ta có (m2) và m2 nghĩa là thỏa mãn điều kiện nên cường độ trường được tính theo công thức (2.13) (mV/m) 2.3.3 Điều kiện truyền sóng tốt nhất Qua việc khảo sát công thức giao thoa ở trên ta thấy tia phản xạ từ mặt đất thường là gây tác dụng xấu, làm giảm cường độ trường tại điểm thu. Nếu chọn quan hệ giữa các thông số của đường thông tin một cách thích đáng, có thể làm cho tia phản xạ hoặc sẽ không gây tác dụng xấu làm yếu trường hoặc sẽ tăng thên cường độ trường tại điểm thu. Giá trị hiệu dụng cường độ trường của tia tới trực tiếp được xác định bởi biểu thức (mV/m) (2.14) Trong khi đó, giá trị hiệu dụng cường độ trường tổng ở điểm thu được xác định bởi (mV/m) (2.15) Trường tổng sẽ bằng trường của tia tới trực tiếp khi thực hiện đẳng thức: Từ đó nhận được (2.16) Biểu thức này chứng tỏ rằng, với khoảng cách giữa các trạm thông tin và bước sóng cho trước, nếu chọn độ cao anten thích hợp sao cho đẳng thức (2.16) được thỏa mãn thì tia phản xạ từ mặt đất sẽ không gây tác dụng làm yếu trường của tia tới trực tiếp. Về mặt ý nghĩa vật lý, điều này có thể giải thích là trong trường hợp trên góc lệch pha do hiệu số đường đi giữa hai tia bằng 600, thêm vào đó là góc chậm pha 1800 khi sóng phản xạ từ mặt đất nên giữa các vec tơ E1 và E2 sẽ có góc lệch pha chung 2400. Do vậy độ lớn của véc tơ tổng bằng độ lớn của các véc tơ thành phần (hình 2.7). E E2 1800 600 Hình 2.7 Nếu chọn quan hệ giữa các thông số của một đường thông tin như thế nào để thực hiện được đẳng thức E1 Hay (2.17) thì trường tổng tại điểm thu sẽ lớn gấp hai lần trường của tia tới trực tiếp tạo ra. Về ý nghĩa vật lý, điều này được giải thích là trong trường hợp này, góc lệch pha do hiệu số đường đi giữa hai tia bằng 1800, thêm vào đó là góc lệch pha 1800 khi sóng phản xạ từ mặt đất, trường của tia phản xạ tại điểm thu sẽ đồng pha với trường của tia tới trực tiếp. 2.4 TRUYỀN SÓNG TRONG GIỚI HẠN NHÌN THẤY TRỰC TIẾP KHI KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIẠ HÌNH 2.4.1 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi tính đến độ cong của mặt đất Khi khoảng cách giữa anten phát và anten thu khá lớn, ta không thể coi mặt đất là phẳng mà phải coi nó là mặt cầu, do đó trong các tính toán cần phải tính đến độ cong của mặt đất. Một thông số quan trọng của đường thông tin trong trường hợp này là khoảng cách tầm nhìn thẳng. Khoảng cách này được xác định bởi độ dài của đoạn đường thẳng nối giữa anten phát, anten thu và tiếp tuyến với mặt đất, ký hiệu là r0 (hình 2.8 ). O hr ht A B a ro Hình 2.8 Cự ly nhìn thấy trực tiếp C Ở đây Do đó (m) (2.18) Trong đó a là bán kính trái đất, ht và hr là độ cao của anten phát và anten thu so với mặt đất. Thay a = 6370 km và biểu thị r0 bằng km, ht, hr bằng mét ta có : (km) (2.19) Bây giờ ta khảo sát bài toán truyền sóng trên mặt đất cầu (hình 2.9). A B A1 B1 C O a hr ht h’t h’r Hình 2.9 Mô hình truyền sóng trên mặt đất cầu Quá trình truyền lan sóng trên mặt đất cầu tương tự như mặt đất phẳng. Trường tại điểm thu là kết quả giao thoa của hai tia: tia trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất. Nếu qua điểm phản xạ của sóng trên mặt đất ta vẽ một mặt phẳng tiếp tuyến với mặt đất và tính chiều cao anten kể từ mặt đất phẳng ấy (gọi là chiều cao giả định) thì cường độ trường tại điểm thu sẽ tính theo công thức giao thoa như mặt đất phẳng nhưng cần thay chiều cao thưc ht và hr bằng chiều cao giả h't và hr'. Công thức truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi anten đặt cao trên mặt đất cầu sẽ là: (mV/m) (2.20) Để tính cường độ trường cần tìm các giá trị chiều cao giả của anten theo chiều cao thực và khoảng cách r. Từ hình vẽ ta tìm được (2.21a) (2.21b) Việc tính toán chính xác điểm phản xạ tương đối phức tạp, ta chỉ xét trường hợp cự ly thông tin lớn gần bằng khoảng cách tầm nhìn thẳng. Ta có thể coi và Cho rằng Ta tìm được (2.22a) (2.22b) Tuy nhiên trong các công thức tính toán cường độ trường ta thấy chỉ có tích số độ cao thật của anten là ht và hr. Do vậy để tính toán khi kể đến độ cong quả đất ta đưa vào hệ số bù m (m thường được xác định theo đồ thị), lúc đó Như vậy công thức truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi anten đặt cao trên mặt đất cầu sẽ là: (mV/m) (2.23) 2.4.2 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi tính đến độ mấp mô của mặt đất Trong các trường hợp nêu trên chúng ta đều coi mặt đất là bằng phẳng nhưng thực tế mặt đất là không bằng phẳng. Khi sóng tới gặp một bề mặt mấp mô thì sóng phản xạ sẽ có tính chất tán xạ và chỉ có một phần năng lượng sóng phản xạ tới được điểm thu làm ảnh hưởng đến cường độ trường tại điểm thu. Như vậy việc cần thiết là phải xác định sự mấp mô của bề mặt. Rõ ràng rằng bề mặt được coi là mấp mô ở một vài tần số và góc tới nào đó, nhưng khi các tham số này thay đổi thì bề mặt này lại có thể coi là bằng phẳng. Để đánh giá độ mấp mô của mặt đất ta sử dụng tiêu chuẩn Rayleigh. Hình 2.10a minh họa bề mặt thực và bề mặt này được lý tưởng trong hình 2.10b. B B’ q C’ C A’ A h Tia B Tia A Hình 2.10b.Mô hình lý tưởng hóa của bề mặt mấp mô Mặt sóng 1 Mặt sóng 2 Hình 2.10a.Mặt cắt địa hình thực Tiêu chuẩn Rayleigh được xây dựng trên cơ sở bề mặt được lý tưởng hóa với tia A được phản xạ từ phần trên của bề mặt mấp mô còn tia B được phản xạ từ phần dưới. Các mặt sóng tương ứng AA' và CC' được biểu diễn trong hình 2.10b. Từ đây ta có sự sai khác về quãng đường của hai tia này khi đạt tới các điểm C và C' tại mặt sóng CC' sau khi phản xạ tại B và B' là: Do đó sự sai lệch về pha là: Ta thấy rằng nếu độ cao h là nhỏ so với bước sóng thì sự sai lệch về pha cũng nhỏ và do đó bề mặt được coi là bằng phẳng. Thực tế sự sai lệch về pha chạy từ 0 đến p. Khi Dj = p các tia phản xạ sẽ triệt tiêu nhau, trường tổng bằng 0. Khi góc sai pha Dj > p/2 thì sự phản xạ sóng có tính chất tán xạ. Như vậy tiêu chuẩn Rayleigh nhận được từ hay (2.24) Nếu độ mấp mô của mặt đất thỏa mãn tiêu chuẩn Rayleigh thì có thể coi mặt đất là phẳng. Với tia tới trực tiếp ta phải xét đến vùng tham gia vào quá trình truyền lan sóng. 2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU KHÔNG ĐỒNG NHẤT 2.5.1 Hệ số điện môi và chiết suất của tầng đối lưu Tầng đối lưu là một môi trường không đồng nhất theo mọi phương, thể hiện ở các tham số của môi trường: nhiệt độ, độ ẩm và áp suất luôn thay đổi theo không gian và thời gian. Tính chất quan trọng của tầng đối lưu là nhiệt độ giảm theo độ cao, khoảng 60/km. Nhiệt độ trung bình ở giới hạn trên của tầng đối lưu trong các miền cực khoảng - 550C và ở miền nhiệt đới khoảng - 800C. Áp suất trung bình của khí quyển ở mặt đất là 1041 mbar (1 mbar = 1/1000 bar; 1bar có áp lực bằng 105 N/m2 ), ở độ cao 5 km trị số đó giảm đi gần một nửa còn 538 mbar. Tới độ cao 11 km, áp suất trung bình là 225 mbar, lên đến độ cao 17 km là giới hạn trên của tầng đối lưu ở vùng nhiệt đới trị số của nó chỉ còn khoảng 90 mbar. Hơi nước trong tầng đối lưu là do sự bốc hơi nước từ đại dương, biển hay sông hồ,... dưới tác dụng bức xạ của mặt trời. Vì vậy tầng khí quyển ở đại dương ẩm hơn tầng khí quyển trên đất liền, lượng hơi nước giảm nhanh theo độ cao. Trong phần khảo sát sau ta dùng khái niệm tầng đối lưu tiêu chuẩn hay tầng đối lưu thường, có tính chất sau: Ở mặt đất có áp suất P = 1013 mbar, nhiệt độ T = 150C, độ ẩm tương đối 60 %. Mỗi khi chiều cao tăng 100 m thì áp suất giảm đi 12 mbar, nhiệt độ giảm đi 0,550C, độ ẩm tương đối được bảo toàn suốt độ cao. Giới hạn trên của tầng đối lưu thường là 11 km. Hệ số điện môi của không khí vẫn được coi gần đúng bằng e0 nhưng thực ra nó lớn hơn e0 một chút và phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của không khí (2.25) Chiết suất của môi trường được xác định bởi Hay (2.26) Thực tế giá trị n chỉ lớn hơn 1 rất ít nên để sử dụng thuận tiện người tan thường dùng khái niệm chỉ số chiết suất để biểu thị chiết suất. Chỉ số chiết suất được định nghĩa bằng Từ công thức (2.26) ta được (2.27) Lấy vi phân biểu thức này theo h ta có (2.28) Tầng đối lưu thường (hay còn gọi là tầng đối lưu tiêu chuẩn) sẽ có (1/m). Trong các tính toán thường dùng giá trị 2.5.2 Hiện tượng khúc xạ khí quyển Tầng đối lưu không đồng nhất cho nên nếu có một tia sóng truyền đi không song song với mặt đất thì nó sẽ bị khúc xạ liên tiếp. Kết quả là tia sóng bị uốn cong, hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ khí quyển. Ta sẽ xác định bán kính cong của quỹ đạo sóng khi có khúc xạ khí quyển. Khảo sát hai lớp khí quyển kề nhau có chiết suất khác nhau một lượng dn, và dh là bề dày của lớp khí quyển có chiết suất n + dn (hình 2.11) Quỹ đạo sóng dj j + dj j R O c a b dh n = const n + dn = const Hình 2.11. Mô tả các thông số tính bán kính cong của tia sóng Giả thiết ta bức xạ một tia sóng có góc tới j đi xuyên qua khoảng dh tới lớp có chiết suất n + dn với góc tới j + dj. Bán kính cong của tia sóng sẽ bằng: Xét tam giác abc ta có Do đó (2.29) Áp dụng định luật khúc xạ tại điểm a ta có Khai triển vế phải và bỏ qua các đại lượng nhỏ bậc hai ta có Nên Thay giá trị này vào (2.29) ta có (m) (2.30) Trong thực tế chiết suất của lớp khí quyển n » 1, thông tin vi ba có cự ly truyền sóng lớn hơn nhiều lần chiều cao của anten nên tia sóng truyền từ anten phát đến anten thu gần như nằm ngang, bởi vậy sinj » 1, khi đó bán kính cong của quỹ đạo sóng được tính theo công thức đơn giản (m) (2.31) Nhận xét: Bán kính cong của tia sóng khi đi qua tầng đối lưu phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của chiết suất theo độ cao mà không phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của nó. Nếu chiết suất tăng theo độ cao () thì bán kính cong có giá trị âm, quỹ đạo sóng sẽ có bề lõm hướng lên trên (tia sóng bị uốn cong lên) và được gọi là khúc xạ âm. Nếu chiết suất giảm theo độ cao (), bán kính cong có giá trị dương, quỹ đạo sóng sẽ có bề lõm quay xuống dưới và được gọi là khúc xạ dương. Nếu chiết suất không thay đổi theo độ cao, tia sóng sẽ đi thẳng. 2.5.3 Ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển khi truyền sóng trong tầm nhìn thẳng. Như đã đề cập ở phần trước, khi áp dụng công thức giao thoa, trường ở điểm thu phụ thuộc vào hiệu số hình học của đường đi giữa tia tơi trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất. Hiện tượng khúc xạ khí quyển làm cho tia sóng đi cong, do đó hiệu số hình học của tia tới trực tiếp và tia phản xạ sẽ khác trong trường hợp sóng truyền trong khí quyển đồng nhất. A B C Hình 2.12 Quỹ đạo của tia sóng trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất trong tầng khí quyển thực Để xét đến ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển, phương pháp đơn giản nhất là coi cả hai tia tới trực tiếp và tia phản xạ trên mặt đất đều được truyền theo quỹ đạo thẳng nhưng không phải truyền lan trên mặt đất cầu bán kính a mà trên mặt cầu tưởng tượng có bán kính atd. Hình 2.13 Các quỹ đạo của sóng vô tuyến Quỹ đạo thực với trái đất bán kính thực Quỹ đạo đường thẳng với trái đất có bán kính tương đương Bán kính trái đất Bán kính cong quỹ đạo a) a R b) atđ ¥ Việc thay thế tia sóng thực và mặt đất thực bằng tia sóng đi thẳng và mặt đất tương đương phải thỏa mãn điều kiện: độ cong tương đối giữa mặt đất thực và tia sóng thực phải bằng độ cong tương đối giữa mặt đất tương đương và tia sóng đi thẳng. Nghĩa là phải thỏa mãn phương trình: Từ đó rút ra (2.32) Thay bán kính cong R bởi công thức (2.31) vào (2.32) ta được: (2.33) Khái niệm bán kính tương đương của trái đất cho phép áp dụng các công thức ở phần trước nhưng cần thay thế bán kính a của mặt đất trong các công thức đó bằng bán kính atđ. - Cự ly tầm nhìn thẳng: Gọi k là tỉ số của bán kính tương đương và bán kính thực k = atd//a ta có (m) Với tầng đối lưu thường k = 4/3 ta có (km) - Độ cao giả của anten 2.5.4 Các dạng khúc xạ khí quyển Căn cứ vào sự biến đổi của chiết suất theo độ cao ta tiến hành phân loại các dạng khúc xạ khí quyển. Khúc xạ khí quyển được chia làm hai loại chính - Khúc xạ âm Ứng với , trong trường hợp này chiết suất tăng theo độ cao và quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng lên trên, R< 0. Bán kính tương đương của trái đất sẽ nhỏ hơn bán kính thực và điều đó sẽ dẫn đến giảm cường độ điện trường ở điểm thu. - Khúc xạ dương Ứng với , trong trường hợp này chiết suất sẽ giảm theo độ cao và quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng xuống dưới, R> 0. Khúc xạ dương được phân thành một số trường hợp sau: 1) Khúc xạ khí quyển thường: ứng với sự khúc xạ xảy ra trong tầng đối lưu thường.Cường độ điện trường tại điểm thu trong trường hợp này lớn hơn so với trường hợp không có khúc xạ. Khúc xạ tới hạn: xảy ra khi (m-1) Trường hợp này bán kính cong của tia sóng bằng bán kính của trái đất, bán kính tương đương của trái đất có giá trị ¥. Sóng truyền song song với mặt đất cầu. Siêu khúc xạ: xảy ra khi hay (m-1) Trường hợp này bán kính cong của tia sóng nhỏ hơn bán kính của trái đất, bán kính tương đương của trái đất nhỏ hơn 0. Sóng bị uốn cong trở về mặt đất và bị phản xạ trên mặt đất. Bảng 2.1: Phân loại các dạng khúc xạ khí quyển Loại khúc xạ (1/m) R (m) atđ (m) Quỹ đạo sóng thực tế Quỹ đạo sóng tương đương Khúc xạ âm >0 < 0 < 6,37.106 a atđ < a Không khúc xạ 0 ¥ 6,37. 106 a atđ = a Khúc xạ thường - 0,04 2,5. 107 8,5. 106 a atđ = 4a /3 Khúc xạ tới hạn - 0,157 6,37. 106 ¥ a atđ = ¥ Siêu khúc xạ < - 0,157 < 6,37. 106 < 0 a atđ < 0 2.5.5 Hấp thụ sóng trong tầng đối lưu Sóng vô tuyến điện truyền lan trong tầng đối lưu ngoài các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, tán xạ còn bị suy hao do hấp thụ trong các phân tử, hấp thụ do mưa, sương mù,... Các hấp thụ này phụ thuộc nhiều vào tần số, điều kiện khí tượng của từng vùng và phương của tia sóng. Hấp thụ phân tử Hấp thụ phân tử trong tầng đối lưu chủ yếu do phân tử hơi nước (H2O) và phân tử ôxy (O2). Hấp thụ phân tử phụ thuộc vào tần số. Khi tần số công tác dưới 10 GHz hấp thụ phân tử có thể bỏ qua, còn từ 10 GHz hấp thụ phân tử tăng nhanh theo tần số. Có các giá trị cộng hưởng hấp thụ, tương ứng với các bước sóng 1,35cm; 1,5 cm và 0,75 mm đối với phân tử hơi nước, bước sóng 0,5 cm và 0,25 cm đối với phân tử ôxy. Hình 2.15 chỉ ra sự phụ thuộc của hấp thụ sóng do phân tử hơi nước tại tần số 22 GHz và các phân tử oxy ở khoảng tần số 60 GHz 3 6 15 30 60 150 300 10+2 10+1 100 10-1 10-2 10-3 Tần số GHz Suy hao dB/km f = 22 GHz O2 H2 O Hình 2.14. Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ sóng của O2 và H2O vào tần số Hấp thụ trong mưa và sương mù Hấp thụ sóng trong mưa phụ thuộc vào cường độ mưa tính theo đơn vị mm/gi và tần số. Ở những tần số nhỏ hơn 6 GHz thì hấp thụ trong mưa không đáng kể. Khi cường độ mưa tăng thì hấp thụ tăng. Hình 2.15 chỉ ra sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ trong mưa phụ thuộc vào tần số của sóng vô tuyến điện và cường độ mưa 100 mm/gi 6 8 10 20 30 40 50 60 100 2 3 4 8 40 30 20 10 Tần số GHz Hấp thụ dB/km Hình 2.15. Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ trong mưa với cường độ mưa 100 mm/gi vào tần số Hấp thụ trong sương mù phụ thuộc và cường độ sương mù thể hiện bằng tầm nhìn xa (m) và tần số được chỉ trong hình 2.16. 41 m 150 m Hấp thụ dB/km 0,01 0,1 1 10 10 30 100 3 1 Tần số GHz 30 m Hình 2.16 Ngoài ra các hạt nước (mưa và sương mù) còn làm biến đổi phân cực sóng. Thường thì các hạt mưa không phải là hình cầu lý tưởng mà chúng có hình dạng khác nhau. Khi sóng phân cực thẳng truyền qua hạt mưa có hình dẹt sẽ biến thành sóng phân cực elip. Sự biến đổi phân cực gây ra sự mất phối hợp về phân cực giữa hai anten phát và thu làm tín hiệu thu bị yếu đi; nó còn làm giảm độ cách li giữa hai sóng phân cực thẳng khi cần tách hai sóng phân cực thẳng được phát đi ban đầu với hướng của vectơ phân cực vuông góc. 2.6 CÁC DẠNG PHA ĐINH VÀ BIỆN PHÁP CHỐNG Một trong số những hiện tượng thường gặp trong thông tin vô tuyến là cường độ trường tín hiệu thu lớn khi đặt máy thu ở vị trí này nhưng lại có thể rất bé hoặc thậm chí bằng không nếu ta chuyển đổi máy thu sang vị trí khác. Trong nhiều trường hợp, khi máy thu đặt ở một vị trí cố định thì sự dao động cường độ trường tại điểm thu vẫn xảy ra. Hiện tượng đó được gọi là pha đinh. Người ta phân biệt hiện tượng phađinh thành phađinh phẳng và pha đinh lựa chọn tần số. Pha đinh phẳng ảnh hưởng chủ yếu lên các hệ thống dung lượng nhỏ băng tần hẹp. Pha đinh lựa chọn tần số ảnh hưởng chủ yếu đến các hệ thống truyền dẫn dung lượng cao, băng tần rộng. Hai loại pha đinh này có thể xuất hiện độc lập với nhau hoặc xuất hiện đồng thời với nhau. Không một loại pha đinh nào có thể tiên đoán được một cách chính xác bởi sự biến động của chúng. Kinh nghiệm cho thấy điều kiện khí hậu và địa hình là nguyên nhân chính gây ra pha đinh. Các đặc trưng quan trọng của pha đinh là tần số trung bình của pha đinh (trị số trung bình của pha đinh trong một phút hoặc một giây) và độ sâu pha đinh. Theo lý thuyết, ta biết rằng sóng vô tuyến truyền lan trong tầng đối lưu có thể đến điểm thu theo các đường khác nhau, ngoài sóng đi thẳng còn nhiều sóng phản xạ từ các điểm khác nhau trên đường truyền dẫn, người ta gọi là hiện tượng truyền dẫn đa đường. Do đường đi khác nhau cho nên trường giữa các sóng đó có một độ trễ (sự lệch pha) với nhau. Trường tại điểm thu là tổng vectơ của tất cả các trường sóng đó cho nên có thể tăng, giảm hoặc bằng không. Hiện tượng pha đinh này được gọi là pha đinh nhiều tia hay pha đinh đa đường. Đây là loại pha đinh rất nguy hiểm. Pha đinh nhiều tia với hiệu ứng lựa chọn làm méo dạng biên độ và méo thời gian trễ suốt độ rộng băng tần của kênh. Điều này làm tăng tỷ số lỗi bit (BER) mà không có bất kỳ biểu hiện gì ở tín hiệu thu. Để khắc phục hiện tượng pha đinh có thể bằng các phương pháp chủ động hoặc thụ động. Phương pháp thụ động được thực hiện thông qua việc thiết kế các mạch trong máy thu để loại trừ tác động của pha đinh. Ví dụ để nâng cao chất lượng của tín hiệu thu, máy thu sử dụng các bộ cân bằng tự thích nghi. Các phương pháp chủ động bao gồm: - Sử dụng các anten có hướng tính cao để loại trừ các tia phản xạ gây giao thoa sóng tại phía phát cũng như phía thu. - Tạo ra sự chênh lệch về độ cao giữa hai anten để loại trừ bớt các tia phản xạ đến được điểm thu. - Sử dụng các biện pháp phân tập anten: phân tập tần số, phân tập không gian, phân tập phân cực, phân tập góc và phân tập thời gian hoặc kết hợp các biện pháp phân tập này với nhau. a, Phân tập không gian Phân tập không gian là phương pháp sử dụng hai hay nhiều hơn hai anten cho các máy thu hoặc phát để truyền dẫn đồng thời cùng một tín hiệu trên cùng một kênh vô tuyến. Thông thường người ta sử dụng hai anten bố trí cách nhau một khoảng nào đó lớn hơn năm lần bước sóng công tác để phát hoặc thu cùng một thông tin từ nơi phát đến nơi nhận tin. Khoảng cách này đảm bảo sao cho các tín hiệu riêng biệt thu không tương quan nhau. Như vậy ta luôn thu được tín hiệu tốt và bằng cách kết hợp (hoặc chọn) tín hiệu giữa hai đường truyền này ta sẽ được một tín hiệu tốt. f f Tx Rx Rx Kết hợp Số liệu vào Số liệu ra Hình 2.17 Phân tập không gian b, Phân tập tần số Phân tập tần số là phương pháp truyền đồng thời cùng một tín hiệu trên hai tần số khác nhau trong cùng một dải tần. Bởi vì xác suất xảy ra đồng thời pha đinh ở hai tần số không tương quan với nhau là rất nhỏ. Vì thế ta luôn thu được tín hiệu tốt và bằng cách kết hợp (hoặc chọn) tín hiệu giữa hai đường truyền này ta sẽ được một tín hiệu tốt. Rx1 Tx1 f1 SW Số liệu ra Số liệu vào Tx2 Rx2 f2 Hình 2.18 Phân tập tần số c, Phân tập phân cực Là phương pháp sử dụng hệ thống anten của cả hai trạm thu phát có các dạng phân cực khác nhau như: phân cực đứng và phân cực ngang; phân cực tròn quay trái và phân cực tròn quay phải. 2.7 TỔNG KẾT Sóng cực ngắn được truyền lan trong tầng đối lưu bằng ba phương pháp: tán xạ tầng đối lưu, siêu khúc xạ tầng đối lưu và truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp. Tuy nhiên, phương pháp truyền lan cơ bản nhất đó là truyền lan. Trong chương này đã xét các công thức tính toán các tham số của đường truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng. Từ đó làm cơ sở để xét các ảnh hưởng thực tế của môi trường tầng đối lưu lên quá trình truyền lan sóng như ảnh hưởng của địa hình, ảnh hưởng của tầng khí quyển không đồng nhất. Các ảnh hưởng này đều tác động trực tiếp đến các tham số của tuyến truyền dẫn giữa điểm phát và điểm thu như cự ly tầm nhìn thẳng, bán kính cong của tia sóng… Chương này cũng đã đề cập đến hiện tượng điển hình thường gặp phải trong truyền lan sóng vô tuyến, làm giảm chất lượng truyền dẫn trong thông tin vô tuyến đó là hiện tượng pha đinh cũng như các biện pháp được áp dụng để tránh hiện tượng này. 2.8 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP. 1. Trình bày các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn. 2. Xây dựng công thức tính cường độ điện trường tại điểm thu khi truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp trong điều kiện lý tưởng. 3. Xác định điều kiện truyền sóng tốt nhất? 4. Xác định công thức truyền sóng khi tính đến ảnh hưởng của địa hình (mặt đất cầu) lên quá trình truyền lan sóng? 5. Tính bán kính cong của tia sóng khi truyền sóng trong tầng đối lưu không đồng nhất? 6. Hiện tượng khúc xạ khí quyển ảnh hưởng như thế nào khi truyền sóng trong tầm nhìn thẳng? 7. Trình bày các dạng khúc xạ khí quyển? 8. Trình bày về các dạng pha đinh và biện pháp chống. 9. Cho đường truyền có các thông số sau: Công suất bức xạ 15 W, bước sóng công tác 35 cm, hệ số khuếch đại của anten phát là 100, độ cao của anten phát và anten thu lần lượt là 80 m và 20 m, cự ly đường truyền là 10 km. Với R = 0,91 và q = 1800 khi sóng phân cực ngang và R = 0,68; q = 1800 khi sóng phân cực đứng. Xác định hệ số suy giảm? (a) 0,42 và 0,44; (b) 0,52 và 0,54; (c) 0,62 và 0,64; (d) 0,72 và 0,74 10. Số liệu như bài 9, xác định cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu? (a) 10 mV/m và 11,5 mV/m; (b) 11 mV/m và 10,5 mV/m; (c) 11 mV/m và 11,5 mV/m; (d) 10,5 mV/m và 11,5 mV/m 11. Số liệu như bài 9, xác định tổn hao truyền sóng biết hệ số khuếch đại của anten thu là 100. (a) 76,78 dB và 76,45 dB; (b) dB; (c) 76,78 dB và 80,45 dB; (d) 80,78 dB và 80,45 dB 12. Xác định hệ số suy giảm khi đường truyền có các tham số: công suất phát 50 W, bước sóng công tác 10 cm, hệ số khuếch đại anten phát 60, độ cao anten phát 25 m, anten thu 10 m, cự ly truyền sóng 10 km, hệ số phản xạ R = 1 và q = 1800. (a) 1,62 ; (b) 1,72; (c) 1,82; (d) 1,92 13. Số liệu như bài 12, xác định cường độ điện trường tại điểm thu? (a) 115,34 µV/m; (b) 125,34 µV/m; (c) 115,34 mV/m; (d) 125,34 mV/m 14. Số liệu như bài 12 nhưng bước sóng công tác là 1m. Hãy xác định cường độ điện trường tại điểm thu? (a) 15 mV/m; (b) 16 mV/m; (c) 17 mV/m; (d) 18 mV/m 15. Một anten phát được đặt ở độ cao 49m và anten thu được đặt ở độ cao 25m. Khoảng cách tầm nhìn thẳng của hai anten này là giá trị nào dưới đây? (a) 35,8 km; (b) 42,8 km; (c) 45,8 km; (d) 50,8 km 16. Một anten phát được đặt ở độ cao 30m và anten thu được đặt ở độ cao 15m. Khoảng cách tầm nhìn thẳng của hai anten này là giá trị nào dưới đây? (a) 27,4 km; (b) 30,4 km; (c) 33,4 km; (d) 35,4 km 17. Anten phát vô tuyến truyền hình đặt ở độ cao 64m. Tính độ cao của anten thu tại một điểm đặt cách xa đài phát đó một khoảng 50 km để có thể thu được tín hiệu. (a) 2 m; (b) 2,5 m; (c) 3 m; (d) 3,5 m 18. Xác định bán kính cong của tia sóng khi đi trong tầng đối lưu đối lưu tiêu chuẩn? (a) 2.106 m; (b) 2,5.106 m; (c) 2.107 m; (d) 2,5.107 m