bài tập lớn môn truyền dẫn vô tuyến đề tài quá trình truyền lan sóng trong không gian tự do

Bài làm gồm có 4 chương: Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN LAN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO Chương 2: PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN Chương 3: TỔN HAO TRONG TRUYỀN SÓNG VÀ BI

LỜI MỞI ĐẦU

Những năm đầu của thế kỷ 21 được coi là kỷ nguyên của công nghệ thông tinthông tin học có ý nghĩa đến sự thành công và phat triển của một quốc gia

Trong giai đoạn công nghiệp hóa – hiện đại hóa nhu cầu tìm kiếm và trao đổithông tin ngày càng cao Các loại hình dịch vụ ra đời cùng với đó các phương thứctruyền dẫn cũng xuất hiện, trong đó có truyền dẫn vô tuyến, viba Đây là phương thức

có rất nhiều ưu điểm được sử dụng trong thông tin vệ tinh Bên cạnh đó vấn còn nhiềunhược điểm như hiện tượng nhiễu trong quá trình truyền

Đây cũng là lý do chúng em chọn đề tài: “ Quá trình truyền lan sóng trong khônggian tự do” để kết thúc môn học Truyền Dẫn Vô Tuyến, và để hiểu sâu hơn về bảnchất bên trong của sự loan truyền sóng trong không gian

Bài làm gồm có 4 chương:

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN LAN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN

Chương 3: TỔN HAO TRONG TRUYỀN SÓNG VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG

Chương 4: MÔ PHỎNG SỰ SUY HAO TRUYỀN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Do thời gian và khả năng tìm hiểu có hạn nên không thể tránh những thiếu sót, rấtmong đóng góp của thầy và các bạn để hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Anh Quang đã giúp chúng em

hoàn thành đồ án này

MỤC LỤC

LỜI MỞI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN LAN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 6

1.1 Các phương pháp lan truyền sóng trong môi trương thực 6

1.1.1 Lan truyền sóng bề mặt 6

1.1.2 Truyền lan sóng không gian 7

1.1.3 Truyền lan sóng trời 7

1.1.4 Truyền lan sóng tự do 8

1.2 Nguyên lý HYGHEN và miền FRESNEL 9

1.2.1 Nguyên lý HYGHEN 9

1.2.2 Miền FresnelNguyên lý Huyghen 9

Chương 2 Phương pháp truyền lan sóng cực ngắn 12

2.1 Truyền lan do khuếch tán trong tầng đối lưu 12

2.2 Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu 12

Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp 13

2.3 Ảnh hưởng của tầng đối lưu không đồng nhất 13

2.3.1 Hệ số điện môi và chiết suất của tầng đối lưu 13

2.3.2 Hiện tượng khúc xạ khí quyển 14

2.3.3 Ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển khi truyền sóng trong tầm nhìn thẳng .15

2.3.4 Hấp thụ sóng trong tầng đối lưu 16

Chương 3 TỔN HAO TRONG TRUYỀN SÓNG VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG 19

3.1 Truyền lan sóng phẳng trong môi trường vô tuyến phađinh di động 19

3.1.1 Ảnh hưởng phạm vi rộng 21

3.1.2 Ảnh hưởng phạm vi hẹp 21

3.2 Kênh truyền sóng trong miền không gian 22

3.2.1 Tổn hao đường truyền 22

3.3 Kênh truyền sóng trong miền tần số 23

3.3.1 Điều chế tần số 23

3.3.2 Chọn lọc tần số (phân tập tần số) 23

3.4 Kênh truyền sóng trong miền thời gian 24

3.5 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 24

Chương 4 MÔ PHỎNG SỰ SUY HAO TRUYỀN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 27

4.1 Giới thiệu 27

4.2 Chương trình mô phỏng 27

4.2.1 Chương trình mô phỏng 27

4.2.2 Các thành phần trong chương trình 28

4.2.3 Tiến hành khảo sát 28

4.2.3.1 Khảo sát công suất phát 29

4.3.2.2.Khảo sát tần số phát 30

4.3.2.3 Khảo sát độ rộng của anten 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các dãy băng tầng dùng trong thông tin vô tuyến 8

Bảng 3.1 liệt kê các loại phađinh phạm vi hẹp 25

Bảng 4.1 sự thay đổi các giá trị theo công suất phát 29

Bảng 4.2 sự thay đổi các giá trị theo tần số phát 30

Bảng 4.3 sự thay đổi các giá trị theo độ rộng anten phát 31

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các phương thức truyền sóng vô tuyến 5

Hình 1.2 Quá trình truyền lan sóng bề mặt 5

Hình 1.3 Truyền lan sóng trong không gian 6

Hình 1.4 Truyền lan sóng trời 7

Hình 1.5 Truyền lan sóng tự do 7

Hình 1.6 Xác định trường theo nguyên lý Huyghen 8

Hình 1.7 Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel trên mặt sóng cầu 9

Hình 1.8 Miền fresnel 10

Hình 2.1 Sự khuếch tán sóng trong tầng đối lưu 11

Hình 2.2 Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu 11

Hình 2.3 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp 12

Hình 2.4 Mô tả các thông số tính bán kính cong của tia 14

Hình 2.5 Quỹ đạo của tia sóng trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất trong tầng khí quyển thực 14

Hình 2.6 Các quỹ đạo của sóng vô tuyến 15

Hình 2.7 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ sóng của O2 và H2O vào tần số 16

Hình 2.8 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ trong mưa với cường độ 16

mưa 100 mm/gi vào tần số 16

Hình 2.9 Hấp thụ trong sương mù phụ thuộc và cường độ sương mù thể hiện bằng tầm nhìn xa 17

Hình 3.1 Truyền sóng vô tuyến 18

Hình 3.2 Góc tới αi của sóng tới i minh họa hiệu ứng Doppler 19

Hình 3.4 Các ảnh hưởng phạm vi hẹp trong kênh vô tuyến 20

Hình 3.3 Suy hao đường truyền và che tối 20

Hình 4.1: Chương trình mô phỏng sự suy hao sóng trong môi trường không gian 26

Hình 4.2: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi các giá trị theo công suất 28

Hình 4.3 Biểu đồ thể hiện sư thay đổi các giá trị theo tần số phát 29

Hình 4.4 Biểu đồ thể hiện sư thay đổi các giá trị theo độ rộng của anten phát 30

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN LAN SÓNG

TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO

1.1 Các phương pháp lan truyền sóng trong môi trương thực

Hình 1.1 Các phương thức truyền sóng vô tuyến 1.1.1 Lan truyền sóng bề mặt

Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc với bề mặt trái đất Bề mặt trái đất là một môitrường bán dẫn điện, khi một sóng điện từ bức xạ từ một anten đặt thẳng dung trên bềmặt trái đất, các đường sức điện trường được khép kín nhờ dòng dẫn trên bề mặt tráiđất Nếu gặp vật chắn trên đường truyền lan, sóng sẽ nhiễu xạ qua vật chắn và truyềnlan ra phía sau vật chắn

Có thể dùng cho tất cả các băng sóng Sóng bề mặt bị suy giảm do sư hấp thụcủa mặt đất Sự suy giảm này phụ thuộc vào tần số, khi tần số tăng thì sự suy giảmcàng lớn, còn phụ thuộc vào độ cao vật chắn so với bước sóng

Hình 1.2 Quá trình truyền lan sóng bề mặt

Sóng mặt đất ít bị hấp thụ trong nước, mặt đất ẩm làm cho cường độ trường tạiđiểm thu tăng lên Các sóng vô tuyến điện có bước sóng lớn khả năng nhiễu xạ mạnh

và bị mặt đất hấp thụ nhỏ

Sóng mặt đất được sử dụng để truyền lan các băng sóng dài và sóng trung nhưtrong hệ thống phát thanh điều biên, hay sử dụng cho thong tin trên biển

1.1.2 Truyền lan sóng không gian

Hình 1.3 Truyền lan sóng trong không gian

Nếu hai anten phát và thu đặt cao ( nhiều lần so với bước sóng công tác) trênmặt đất thì sóng có thể truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, hoặc phản xạ từmặt đất ( hình 1.3a) hay lợi dụng sự không đồng nhất của một vùng nào đó trong tầngđối lưu ( hình 1.3b) để tán xạ sóng vô tuyến dùng cho thông tin gọi là thông tin tán xạtầng đối lưu Các Phương thức thông tin như trên gọi là truyền lan sóng không gianhay sóng tầng đối lưu

Phương thức này thường được dùng trong thông tin ở băng sóng cực ngắn ( VHF,UHF, SHF) , truyền hình, các hệ thống vi ba như hệ thống chuyển tiếp trên mặt đất, hệthống thông tin di động thông tin vệ tinh…

1.1.3 Truyền lan sóng trời

Lớp khí quyển ở độ cao khoảng 60-600km bị ion hóa rất mạnh chủ yếu do nănglượng bức xạ của mặt trời tạo thành một lớp khí bao gồm là điện tử tự do và các ion.Lớp khí quyển đó được gọi là tầng điện ly Tính chất của tầng điện ly là trong nhữngđiều kiện nhất định có thể phản xạ sóng vô tuyến điện Lợi dụng sự phản xạ đó để sửdụng cho thông tin vô tuyến bằng cách phản xạ một hay nhiều lần tầng điện ly.Phương thức đó gọi là truyền lan sóng trời (hay tầng điện ly)

Hình 1.4 Truyền lan sóng trời 1.1.4 Truyền lan sóng tự do

Hình 1.5 Truyền lan sóng tự do

Trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ ví dụ như môitrường chân không, sóng vô tuyến điện khi truyền lan từ điểm phát đến điểm thu sẽ đitheo đường thẳng ( hình 1.5) không ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng

Trong thực tế một môi trường lý tưởng như vậy chỉ tồn tại ngoài khoảng không vũtrụ Với lớp khí quyển quả đất chỉ trong những điều kiện nhất định, khi tính toán cũng

có thể coi như môi trường không gian tự do

Các dãy băng tầng dùng trong thông tin vô tuyến

Bảng 1.1 Các dãy băng tầng dùng trong thông tin vô tuyến

Hình 1.6 Xác định trường theo nguyên lý Huyghen

2 Miền FresnelNguyên lý Huyghen

Cho phép xác định phần không gian thực sự tham gia vào quá trình truyền lansóng Giả sử có một nguồn bức xạ được đạt tại điểm A và máy thu được đặt tại điểm

B Lấy A làm tâm, ta vẽ một hình cầu bán kính r1 Hình cầu này là một trong số cácmặt sóng Trên hình 1.13 ký hiệu r2 là khoảng cách từ B đến mặt cầu bán kính r1 Từ B

vẽ một họ các đường thẳng cắt mặt cầu ở các điểm cách B một khoảng bằng r2 +λ/2

Họ các đường thẳng này sẽ tạo thành một hình chóp nón cắt mặt cầu tại N1 và N1’ Giao của các mặt nón với mặt cầu là các đường tròn đồng tâm Miền giới hạn bởicác đường tròn gọi là miền Fresnel Miềm giới hạn bởi đường tròn N1 là miền; miềngiới hạn bởi các đường tròn N1 và N2 là miền Fresnel thứ hai…(Miền Fresnel bậc cao)

Áp dụng nguyên lý Huyghen, ta coi mặt cầu là tập hợp những nguồn điểm thứ cấp

và ta tính trường tạo bởi những nguồn ấy tại điểm B Các nguồn điểm thứ cấp trongmiền Fresnel thứ nhất sẽ tạo ra trường tại B có pha khác pha với trường do điểm N0 tạo

ra ở B một góc Δϕ< 1800 Pha của trường tạo bởi nguồn điểm thứ cấp trong miềnFresne bậc hai khác pha với trường do điểm N0 tạo ra ở B một góc 1800 < Δϕ< 3600.Một cách tổng quát có thể thấy rằng Pha của trường tạo bởi miền Fresne bậc hai khácpha với trường tạo bởi miền Fresnel thứ nhất 1800 Pha của trường tạo bởi miền Fresnebậc ba khác pha với trường tạo bởi miền Fresnel thứ hai 1800 sự khác nhau ấy đượcbiểu thị bởi các dấu cộng, trừ như hình 7

Hình 1.7 Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel trên mặt sóng cầu

Hình 1.8 Miền fresnel

Trong đó: D là khoảng cách giữa máy phát và người nhận

r là bán kính của vùng Fresnel đầu tiên (n = 1)

d1 đi từ máy phát, và d2 đi từ người nhận

Người ta chứng minh được rằng tác dụng của các miền Fresnel bậc cao nằm kềnhau sẽ bù trừ cho nhau do pha của chúng ngược nhau nên cuối cùng tác dụng tổnghợp của tất cả các miền Fresnel bậc cao gần như chỉ tương đương tác dụng của khoảngnửa miền Fresnel thứ nhất Như vậy, khoảng không gian có tham gia vào quá trìnhtruyền sóng có thể xem như được giới hạn bởi một nửa miền Fresnel thứ nhất

Chương 2 Phương pháp truyền lan sóng cực ngắn

2.1 Truyền lan 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 vùngnhiệt đới Tầng đối lưu là một môi trường có các tham số thay đổi theo thời gian vàkhông gian Các hiện tượng khí tượng như mưa, bão, tuyết đều xảy ra trong tầng đốilưu Bởi vậy tầng đối lưu là một môi trường không đồng nhất Nếu một vùng nào đótrong 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 tuyếnthông tin theo phương thức tán xạ tầng đối lưu được vẽ ở hình 2.1

Hình 2.1 Sự khuếch tán sóng trong tầng đối lưu

2.2 Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu.

Tia sóng đi vào tầng đối lưu bị uốn cong với độ cong lớn hơn độ cong quả đất,minh họa trong hình 8 gọi là hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu Lợi dụng tính chấttrên của miền siêu khúc xạ để truyền lan sóng cực ngắn đi xa Tuy nhiên miền siêukhúc xạ xảy ra bất thường, độ cao và chiều dài của miền siêu khúc xạ cũng luôn luônthay 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 dụngcho thông tin vi ba

Hình 2.2 Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu

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 điểmcủa nó, phụ thuộc nhiều vào điều kiện thiên nhiên Bởi vậy, thông tin vi ba thường sửdụng 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 trênmặt đất, như chỉ ra trong hình vẽ

Hình 2.3 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp

2.3 Ảnh hưởng của tầng đối lưu không đồng nhất

2.3.1 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 cáctham số của môi trường: nhiệt độ, độ ẩm và áp suất luôn thay đổi theo không gian vàthời gian Tính chất quan trọng của tầng đối lưu là nhiệt độ giảm theo độ cao, khoảng 6 0 /km.

mbar = 1/1000 bar; 1bar có áp lực bằng 105 N/m2 ), ở độ cao 5 km trị số đó giảm đi gầnmột nửa còn 538 mbar Tới độ cao 11 km, áp suất trung bình là 225 mbar, lên đến độcao 17 km là giới hạn trên của tầng đối lưu ở vùng nhiệt đới trị số của nó chỉ cònkhoảng 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 đạidương 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 lưuthường, 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 tầngđối lưu thường là 11 km

Hệ số điện môi của không khí vẫn được coi gần đúng bằng ε nhưng thực ra nó lớn

hơn ε0 một chút và phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của không khí

Thực tế giá trị n chỉ lớn hơn 1 rất ít nên để sử dụng thuận tiện người tan thườngdùng khái niệm chỉ số chiết suất để biểu thị chiết suất Chỉ số chiết suất được địnhnghĩa bằng

2.3.2 Hiện tượng khúc xạ khí quyển

Tầng đối lưu không đồng nhất cho nên nếu có một tia sóng truyền đi không songsong với mặt đất thì nó sẽ bị khúc xạ liên tiếp Kết quả là tia sóng bị uốn cong, hiệntượng này gọi là hiện tượng khúc xạ khí quyển Ta sẽ xác định bán kính cong của quỹđạo sóng khi có khúc xạ khí quyển Khảo sát hai lớp khí quyển kề nhau có chiết suấtkhác nhau một lượng dn, và dh là bề dày của lớp khí quyển có chiết suất n + dn

Hình 2.4 Mô tả các thông số tính bán kính cong của tia

Bán kính cong của tia sóng khi đi qua tầng đối lưu phụ thuộc vào tốc độ biến thiêncủa chiết suất theo độ cao mà không phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của nó Nếu chiếtsuất tăng theo độ cao ( dn / dh > 0 ) 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 chiếtsuất giảm theo độ cao ( dn < dh 0 ), 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 đổitheo độ cao, tia sóng sẽ đi thẳng

2.3.3 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 thuphụ thuộc vào hiệu số hình học của đường đi giữa tia tơi trực tiếp và tia phản xạ từ mặtđất Hiện tượng khúc xạ khí quyển làm cho tia sóng đi cong, do đó hiệu số hình họccủa tia tới trực tiếp và tia phản xạ sẽ khác trong trường hợp sóng truyền trong khíquyển đồng nhất

Hình 2.5 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 thẳngnhưng không phải truyền lan trên mặt đất cầu bán kính a mà trên mặt cầu tưởng tượng

có bán kính atd

Hình 2.6 Các quỹ đạo của sóng vô tuyến a) Quỹ đạo thực với trái đất bán kính thực

b) Quỹ đạo đường thẳng với trái đất có bán kính tương đương

Việc thay thế tia sóng thực và mặt đất thực bằng tia sóng đi thẳng và mặt đất tươngđương phải thỏa mãn điều kiện: độ cong tương đối giữa mặt đất thực và tia sóng thựcphải bằng độ cong tương đối giữa mặt đất tương đương và tia sóng đi thẳng

2.3.4 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, sươngmù, 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 tửôxy (O2) Hấp thụ phân tử phụ thuộc vào tần số Khi tần số công tác dưới 10 GHz hấpthụ phân tử có thể bỏ qua, còn từ 10 GHz hấp thụ phân tử tăng nhanh theo tần số Cócác 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 13 chỉ ra sự phụ thuộc của hấp thụ sóng do phân tử hơi nước tại tần số 22GHz và các phân tử oxy ở khoảng tần số 60 GHz