Nghiên cứu và thiết kế hệ thống thông tin liên lạc sóng ngắn HF

Nhân đây, tác giả xin được bày tỏ lòng chân thành cảm ơn các Giáo viên Khoa Sau Đại học - Viện Đại học Mở Hà Nội đã giảng dạy, bổ sung kiến thức và giúp đỡ em trong quá trình học tập, rè

LỜI MỞ ĐẦU

Thông tin vô tuyến điện sóng ngắn có một vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin liên lạc Nó phục vụ tốt cho mọi đối tượng, trên tất cả các lĩnh vực chính trị, kinh tế, văn hoá xã hội, quốc phòng-an ninh Ngày nay, nền khoa học kỹ thuật và công nghệ phát triển mạnh mẽ, hệ thống thông tin liên lạc trên thế giới cũng như ở Việt Nam đang phát triển không ngừng Các nhà sản xuất đã lần lượt cho ra đời các thiết bị thông tin mới, được áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến có những tính năng và độ tin cậy cao

Xuất phát từ nhu cầu về một mạng viễn thông như vậy, ngoài thông tin vệ tinh, hầu hết các quốc gia trên thế giới đã sử dụng phương thức liên lạc vô tuyến điện sóng ngắn làm đường truyền dự phòng nóng, sẵn sàng hỗ trợ các đường truyền chính bị cô lập khi có tình huống đặc biệt xảy ra Với điều kiện và hoàn cảnh đã trình bày như trên, nhằm đảm bảo công tác thông tin liên lạc thông suốt trong mọi tình huống, yêu cầu cần phải có đề tài nghiên cứu xây dựng phương án thông tin liên lạc sóng ngắn để đáp ứng yêu cầu về thông tin phục vụ lãnh đạo chỉ huy các cấp khi có tình huống đặc biệt xảy ra Là một cán bộ làm công tác khoa học kỹ thuật, sau quá trình học tập, rèn luyện dưới sự dìu dắt của các thầy,

cô trong Khoa sau Đại học, tác giả thấy mình cần phải có trách nhiệm đi sâu tìm hiểu và nghiên cứu khai thác để có thể nắm bắt và từng bước làm chủ được hệ thống thông tin này Xuất phát từ mục đích nêu trên, trong quá trình học tập,

chọn đề tài làm Luận văn, tác giả đã đăng ký chọn đề tài làm Luận văn: “Nghiên

cứu và thiết kế hệ thống thông tin liên lạc sóng ngắn HF” Nội dung nghiên cứu, tác giả xin được báo cáo theo ba chương:

Chương I: Tổng quan về thông tin liên lạc sóng ngắn

Chương II: Truyền sóng và ứng dụng kỹ thuật mới trong hệ thống thông tin liên lạc sóng ngắn

Chương III: Thiết kế hệ thống thông tin liên lạc sóng ngắn HF

Do thời gian và khả năng nghiên cứu còn hạn chế, tài liệu kỹ thuật kèm theo máy hạn chế, ít có điều kiện khai thác trực tiếp trên máy, nên bản Luận văn này không tránh khỏi những điểm khiếm khuyết Rất mong nhận được những ý kiến chỉ dẫn thầy giáo với bản Luận văn này

Nhân đây, tác giả xin được bày tỏ lòng chân thành cảm ơn các Giáo viên Khoa Sau Đại học - Viện Đại học Mở Hà Nội đã giảng dạy, bổ sung kiến thức và giúp đỡ em trong quá trình học tập, rèn luyện để nâng cao khả năng nghiên cứu, trình độ hiểu biết về lĩnh vực Điện tử - Viễn thông; Cục Thông tin liên lạc - Tổng cục Kỹ thuật - Bộ Công an; Công ty TNHH R&S Vietnam (Rohde & Schwarz)

đã tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả nghiên cứu tài liệu kỹ thuật của hệ thống thông tin liên lạc sóng ngắn để hoàn thành Luận văn này Đặc biệt, xin được cảm ơn thầy PGS.TS Phạm Ngọc Nam, Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, hướng dẫn tác giả hoàn thành Luận văn này

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG

TIN LIÊN LẠC SÓNG NGẮN HF

NGUYỄN ANH TẤN

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan: Bản Luận văn tốt nghiệp này là dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, những kiến thức đã thu thập được qua quá trình học tập, công tác thực tiễn tại Cục Tham mưu An ninh-Tổng cục An ninh, Cục Thông tin liên lạc-Tổng cục Kỹ thuật-Bộ Công an; Công ty TNHH R&S Vietnam (Rohde & Schwarz)

đã tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả nghiên cứu tài liệu kỹ thuật của hệ thống thông tin liên lạc sóng ngắn để hoàn thành Luận văn này Đặc biệt, xin được cảm ơn Thầy PGS.TS Phạm Ngọc Nam, Viện Điện tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách khoa

Hà Nội đã giúp đỡ, hướng dẫn tác giả hoàn thành Luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Tác giả Luận văn

Nguyễn Anh Tấn

4

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tác giả xin chân thành cảm ơn đến các giáo viên Khoa Sau Đại học - Viện Đại học Mở Hà Nội và Đại học Bách khoa Hà Nội đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho tác giả trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường Tác giả xin cảm ơn thầy PGS.TS Phạm Ngọc Nam, người đã nhiệt tình hướng dẫn thực hiện khóa luận tốt nghiệp này

Tác giả xin chân thành cảm ơn lãnh đạo đơn vị và các đồng chí trong Cục Tham mưu An ninh nhân dân - Tổng cục An ninh và Cục Thông tin liên lạc - Tổng cục Kỹ thuật - Bộ Công an và Công ty TNHH R&S Vietnam (Rohde & Schwarz) đã tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả nghiên cứu tài liệu kỹ thuật của hệ thống thông tin liên lạc sóng ngắn để hoàn thành Luận văn này

Với vốn kiến thức hạn hẹp và đầu tư thời gian cho nghiên cứu Luận văn còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình của các giáo viên Khoa Sau Đại học - Viện Đại học Mở Hà Nội và Đại học Bách khoa Hà Nội Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, những kiến thức đã thu thập được qua quá trình học tập, thực tiễn tác nghiệp sẽ góp phần bổ sung kiến thức về nghiên cứu và ứng dụng để hoàn thành tốt công việc được giao

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN LIÊN LẠC SÓNG NGẮN 8

1.1 Giới thiệu tổng quan về thông tin sóng ngắn 8

1.1.1 Sóng vô tuy ến điện và truyền sóng 8

1.1.2 S ự truyền sóng vô tuyến 13

1.1.3 M ột số khái niệm cơ bản về sóng vô tuyến 14

1.1.4 Các tính ch ất quang học của sóng vô tuyến 16

1.2 Các phương thức truyền lan sóng điện từ 19

1.2.1 S ự truyền lan sóng đất 20

1.2.2 S ự truyền lan sóng không gian 20

1.2.3 S ự truyền lan sóng trời 22

1.2.4 Sóng t ầng điện ly 23

1.2.5 Sóng v ũ trụ 24

1.3 Truyền sóng trong dải sóng ngắn 24

1.4 Anten thu, phát sóng vô tuyến 25

1.5 Kết luận 26

Chương 2: TRUYỀN SÓNG VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MỚI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC SÓNG NGẮN 27

2.1 Truyền sóng trong tầng điện ly 27

2.1.1 C ấu tạo tầng điện ly 27

2.1.2 Các nguyên nhân và đặc điểm của các lớp trong tầng điện ly 31

2.1.3 Đặc điểm và phương thức truyền sóng tầng điện ly 35

2.2 Truyền sóng trong thông tin sóng ngắn 39

2.2.1 Đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn 39

2.2.2 Tính toán đường truyền thông tin sóng ngắn 46

2.2.3 S ự truyền sóng điện ly của sóng ngắn 49

2.3 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần trong thông tin sóng ngắn 53

2.3.1 Các ưu điểm của hệ thống thông tin trải phổ 54

2.3.2 H ệ thống trải phổ nhảy tần (FH: Frequency Hopping) 56

2.3.3 H ệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS 57

6

2.4 Thiết lập đường truyền tự động trong thông tin sóng ngắn 59

2.4.1 M ục đích chọn tự động thiết lập đường truyền 59

2.4.2 Tiêu chu ẩn FED-STD-1045 60

2.5 Kết luận 62

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC SÓNG NGẮN HF 63

3.1 Tổng quan mạng thông tin liên lạc sóng ngắn 63

3.1.1 Mô hình t ổ chức hệ thống thông tin liên lạc sóng ngắn 66

3.1.2 Trung tâm liên l ạc Hà Nội………66

3.1.3 Trung tâm liên l ạc Tp HCM và Tây Nguyên, Tây Bắc, Tây Nam Bộ…66 3.2 Thiết kế hệ thống thông tin thu phát sóng ngắn cố định, cơ dộng 66

3.2.1 Thi ết kế hệ thống thông tin thu phát sóng ngắn cố định 66

3.2.2 Thi ết kế hệ thống thông tin thu phát sóng ngắn cơ động 67

3.2.3 V ề địa điểm, thiết bị, nhân lực 68

3.3 Giới thiệu bộ thu phát thông tin liên lạc sóng ngắn XK2100L 68

3.3.1 Ch ỉ tiêu kỹ thuật chung cho máy thu và máy phát 70

3.3.2 Ch ỉ tiêu máy phát 71

3.3.3 Ch ỉ tiêu máy thu 72

3.4 Sơ đồ khối chức năng 73

3.4.1 Nh ững nét đặc trưng cơ bản của máy XK2100L 73

3.4.2 Ch ức năng các module của máy XK2100L 75

3.4.3 An ten sóng ng ắn dải rộng HX002H1 71

3.5 Phần mềm điều khiển và quản lý hệ thống PostMan II 3.5.1 Các môi tr ường phát 80

3.5.2 Các đường truyền 80

3.5.3 C ấu trúc hệ thống 80

3.5.4 Các chu ẩn protocol truyền 81

3.5.5 Điều khiển phát 81

3.5.6 Mã hoá 81

3.5.7 H ệ thống quản lý tần số 81

3.5.8 Các d ịch vụ cơ bản 82

3.5.9 Ch ế độ ALE trong máy XK2100L 83

3.5.10 Ho ạt động của ALE 84

3.6 Mạng thông tin liên lạc sóng ngắn đa điểm 86

3.7 Khả năng nâng cấp mở rộng của hệ thống 87

3.8 Giới thiệu về công tác bảo mật thông tin liên lạc sóng ngắn 91

3.8.1 B ảo mật nguồn tin 91

3.8.2 B ảo mật đường truyền 91

3.8.3 Công ngh ệ nhảy tần của SECOM 91

3.9 Kết luận 92

KẾT LUẬN LUẬN VĂN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 948 1 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt 94

2 Tài liệu tham khảo Tiếng Anh 948

1.1 Giới thiệu tổng quan về thông tin sóng ngắn

HF (High Frequency) là phổ tần số vô tuyến nằm trong dải từ 1.6 đến 30MHz

Phương pháp truyền sóng sóng ngắn HF kết hợp với tầng điện ly đem lại cho chúng

ta một phương thức thông tin chuyên dụng với các cự ly từ ngắn, trung bình và xa mà không cần đến các thiết bị trạm lặp như trong các hệ thống thông tin vô tuyến điện sóng cự ly ngắn VHF hoặc UHF hay phải có hạ tầng như mạng điện thoại, di động,

vệ tinh Ngoài ra, trong rất nhiều trường hợp chúng ta chỉ có thể sử dụng được hệ thống thông tin HF/SSB để truyền đến các vị trí xa một cách nhanh chóng

1.1.1 Sóng vô tuy ến điện và truyền sóng

1.1.1.1 Sóng vô tuy ến

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 ÷ 1016 Hz, sóng vô tuyến được chia thành các băng tần có tên và kí hiệu như Bảng 1.1

Bảng 1.1: Bảng phân băng tần số vô tuyến theo CCIR Tên băng tần Tên viết tắt Phạm vi tần số Lĩnh vực sử dụng

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

Nghiên cứu và thí nghiệm

Sóng điện từ hiện nay được sử dụng rất rộng rãi trong thông tin vô tuyến như: truyền thanh và truyền hình, cũng như trong một số lĩnh vực khác như vô tuyến định vị (ra đa), thiên văn vô tuyến, điều khiển bằng vô tuyến Sóng điện từ được đặc trưng bằng tần số hoặc bước sóng

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

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

Sóng điện từ lan truyền trong không gian với vận tốc 3.108 m/s

Nếu gọi c là vận tốc truyền sóng

1.1.1.2 Phân d ải 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 = 103 Hz (tương ứng với bước sóng λ = 300 Km) và giới hạn trên f = 1012 Hz (tương ứng với bước sóng λ = 0,3 mm) 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 :

- Các t ần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies) Có giá trị nằm trong

phạm vi 3 - 30 kHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói Dùng cho các

hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là thông tin dưới nước (giữa các tàu ngầm) Dải sóng cực dài λ > 10km (f < 30 KHz)

- Các t ần số trung bình (MF - Medium Frequencies) Có giá trị nằm trong

phạm vi 300 kHz - 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 đến 1605 kHz) Ngoài ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không Dải sóng trung 1km> λ > 100m ( 300 KHz < f < 3 MHz)

30 MHz (thường gọi là sóng ngắn) Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều

(two-way) sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá v.v Dải sóng ngắn 100m > λ > 10m ( 3MHz < f < 30 MHz)

phạm vi 30 - 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến 216 MHz)

- Các t ần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies) Có giá trị nằm trong

phạm vi 300 MHz - 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh truyền hình thương mại 14-83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại

tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh

phạm vi 3 - 30 GHz, chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh

trong phạm vi 30 - 300 GHz, ít sử dụng cho thông tin vô tuyến Dải sóng cực ngắn 10m > λ > 1mm ( 30MHz < f < 300 GHz)

nói chung không gọi là sóng vô tuyến Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học

- Các ánh sáng nhìn th ấy Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz - 3 PHz,

dùng trong hệ thống sợi quang

- Các tia c ực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ Rất ít sử dụng cho thông tin

trong phạm vi 30 - 300 Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đo lường

từ xa tần thấp Dải sóng dài 10km >λ > 1km ( 30KHz <f < 300KHz)

- Các t ần số thấp (LF - Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 30 -

300 kHz , bước sóng 10km >λ > 1km (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

12

- 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 =

2ω

σµ

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

1.1.2 S ự truyền sóng vô tuyến

Tần số sử dụng cho sóng điện từ như vai trò sóng mang trong thông tin vô tuyến được gọi riêng là "tần số vô tuyến" (RF) Tần số này chiếm một dải rất rộng từ VLF (tần số cực thấp) tới sóng milimet Mặc dù không gian tự do hàm ý là chân không, sự truyền sóng qua khí quyển trái đất vẫn thường được coi là truyền sóng trong không gian tự do Sự khác nhau chủ yếu là ở chỗ khí quyển trái đất gây nên các tổn thất đối với tín hiệu, còn trong chân không thì không có tổn thất Không thể lý giải đầy đủ sóng vô tuyến theo lý thuyết, bởi vì nó không chỉ bị ảnh hưởng bởi tầng đối lưu và tầng điện ly mà còn bởi các thiên thể, kể cả mặt trời Do vậy, việc đánh giá các trạng thái của các hành tinh của tầng đối lưu và điện ly và việc dự báo đường truyền sóng vô tuyến cũng như khả năng liên lạc dựa trên nhiều dữ liệu trong quá khứ

là hết sức quan trọng

Mỗi băng sóng có đặc điểm truyền lan riêng, nhưng giữa những sóng vô tuyến điện truyền lan ở gần mặt đất theo hướng thẳng hoặc bị phản xạ từ mặt đất, hoặc bị uốn đi theo độ cong của mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ được gọi là sóng đất Sự truyền lan sóng đất có thể bao gồm tất cả các băng sóng, hai băng sóng gần nhau sự biến đổi đặc tính truyền lan của chúng thường 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 là vật liệu bán dẫn điện, một mặt gây phản xạ sóng từ mặt đất, làm biến dạng cấu trúc của sóng và gây hấp thụ sóng trong đất, mặt khác do mặt đất có dạng hình cầu, sóng truyền lan trên đó có hiện tượng nhiễu xạ

Tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp, trải từ mặt đất lên đến độ cao 10 - 15

km Đó là môi trường không đồng nhất, bao gồm hai dạng gây ra sự uốn cong tia sóng hoặc khuếch tán làm cho sóng đi xa hơn Những sóng vô tuyến điện truyền đi tới cự ly xa trên mặt đất do khuếch tán trong tầng đối lưu hoặc do tác dụng "ống dẫn

14

sóng" của tầng đối lưu được gọi là sóng tầng đối lưu Chỉ có những sóng với bước sóng ngắn hơn 10m mới có thể truyền đi theo dạng sóng này

Tầng điện ly là miền khí quyển cao nằm từ độ cao khoảng 50km đến khoảng

400 km so với mặt đất Ở độ cao này, mật độ không khí rất nhỏ và chất khí bị ion hoá, tạo nên một số lớn điện tử tự do (khoảng 102 - 106 điện tử trong cm3) Đối với sóng vô tuyến điện, tầng điện ly có thể xem là môi trường bán dẫn điện và sóng có thể phản xạ từ đó Tính toán và thực nghiệm cho biết tầng điện ly có thể được những sóng có bước sóng dài hơn 10m Những sóng vô tuyến điện truyền tới các cự

ly xa do sự phản xạ (một lần hoặc nhiều lần), hoặc do khuếch tán từ tầng điện ly được gọi là sóng điện ly, sự truyền lan sóng điện ly có thể bao gồm sự truyền lan của tất cả các băng tần vô tuyến

1.1.3 M ột số khái niệm cơ bản về sóng vô tuyến

1.1.3.1 Phân c ực của sóng điện từ

Phân c ực của sóng điện từ phẳng chính là sự định hướng của vectơ điện

trường so với bề mặt trái đất Nếu phân cực giữ nguyên không thay đổi, ta có phân

c ực tuyến tính Phân cực ngang (điện trường di chuyển song song với bề mặt trái đất)

và phân cực đứng (điện trường chuyển động vuông góc với mặt đất) là hai dạng phân

cực tuyến tính Nếu vectơ phân cực quay 3600 khi sóng đi qua một bước sóng và

cường độ trường như nhau tại tất cả các góc phân cực, ta có phâncực tròn Khi cường

độ trường thay đổi theo phân cực, ta có phân cực elip

1.1.3.2 Tia sóng và mặt sóng

Các sóng điện từ là không nhìn thấy, vì vậy chúng được phân tích gián tiếp

qua khái niệm tia sóng và mặt sóng Tia sóng là đường đi dọc theo hướng truyền lan

của sóng điện từ trong không gian tự do Mặt sóng là bề mặt có pha của sóng không đổi, được tạo nên khi các điểm có cùng pha trên các tia lan truyền từ cùng nguồn

hợp lại với nhau (ABCD như Hình 1.1 Sóng phẳng) Nguồn điểm là một vị trí từ đó các tia lan truyền như nhau về mọi hướng (nguồn đẳng hướng)

Hình 1.1 Sóng phẳng

1.1.3.3 Tr ở kháng đặc trưng của không gian tự do

Trở kháng đặc trưng của không gian tự do được tính :

(1.1) Trong đó µ0 là độ từ thẩm của không gian tự do, có giá trị bằng 1,26.10-6 H/m, ε0 là độ điện thẩm của không gian tự do, có giá trị bằng 8,85.10-12F/m Thay vào ta có công thức (1.1) thì Z s = 377 Ω

Hình 1.2 là nguồn điểm bức xạ công suất với tốc độ không đổi đồng đều theo mọi hướng (gọi là bộ bức xạ đẳng hướng) Bộ bức xạ đẳng hướng tạo ra mặt sóng cầu với bán kính R Mật độ công suất Pa tại điểm bất kì trên bề mặt sóng cầu là:

(1.2) trong đó: P rad là tổng công suất bức xạ (W), Ra là khoảng cách từ điểm bất kì trên

bề mặt hình cầu đến nguồn Suy ra cường độ điện trường:

(1.3)

Ta có nhận xét là mật độ công suất tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách đến

nguồn (Luật bình phương nghịch) (1.4)

tự do cũng như trong khí quyển trái đất Song khí quyển không phải là chân không

mà chứa các hạt có thể hấp thụ năng lượng điện từ Loại giảm công suất này được gọi

là tổn hao hấp thụ Hệ số tổn hao được tính:

(1.5) Hấp thụ sóng do khí quyển tương tự với tổn thất công suất I2R Khi đó, năng lượng bị mất mãi mãi Suy hao sóng do hấp thụ không phụ thuộc vào khoảng cách

từ nguồn bức xạ, mà vào tổng khoảng cách sóng đi qua

1.1.4 Các tính ch ất quang học của sóng vô tuyến

Các tính chất quang học của sóng vô tuyến bao gồm khúc xạ, phản xạ, nhiễu

xạ và giao thoa

1.1.4.1 Khúc x ạ sóng (refraction)

Khúc xạ điện từ là sự thay đổi hướng của tia sóng khi nó đi chếch từ một môi trường sang môi trường khác với tốc độ truyền khác nhau Tốc độ truyền tỉ lệ nghịch với mật độ của môi trường truyền Vì vậy, khúc xạ xảy ra bất cứ khi nào sóng đi từ một môi trường sang môi trường khác có mật độ khác (Hình 1.3)

Hình 1.3 Hiện tượng khúc xạ tại biên giới hai môi trường

Tia A đi vào môi trường hai trước tia B, do đó tia B lan nhanh hơn tia A (khoảng cách B-B’ dài hơn A-A’) Vì thế, mặt sóng A’B’ bị nghiêng xuống dưới (vềphía pháp tuyến) Góc θ1 là góc tới, góc θ2 là góc khúc xạ Độ nghiêng của tia phụ thuộc vào chiết suất /ncv = với v là tốc độ ánh sáng trong chất đã cho Định luật Snell giải thích phản ứng của sóng điện từ khi gặp đường biên hai chất khác

nhau như sau: hay (1.6)

ở đây: ε1, ε2 là hằng số điện môi của môi trường một và hai

1.1.4.2 Ph ản xạ sóng (reflection)

Phản xạ điện từ xảy ra khi sóng tới va đập vào biên của hai môi trường và một phần hoặc toàn bộ công suất tới không đi vào môi trường hai mà phản xạ lại Vì sóng phản xạ vẫn ở trong môi trường hai nên tốc độ của sóng tới và sóng phản xạ bằng nhau

Do đó, góc phản xạ bằng góc tới (θi = θr) (Hình 1.4) Hệ số phản xạ được tính như sau:

18

(1.7) trong đó Γ là hệ số phản xạ (không thứ nguyên), Ei = cường độ điện áp tới (vôn), Er = cường độ điện áp phản xạ (vôn), θi = θr pha tới và pha phản xạ (độ)

Hình 1.4 Phản xạ sóng tại biên giới phẳng của hai môi trường

1.1.4.3 Nhi ễu xạ sóng (diffraction)

1.1.4.4 S ự giao thoa sóng (interference)

Xảy ra khi hai hoặc hơn các sóng điện từ kết hợp với nhau sao cho chất lượng hệ thống bị giảm đi Sự giao thoa sóng tuân theo nguyên lí xếp chồng tuyến tính của các sóng điện từ và xảy ra bất cứ khi nào hai hoặc nhiều hơn các sóng đồng thời chiếm cùng một điểm trong không gian (Hình 1.6)

Hình 1.6 Sự cộng tuyến tính hai sóng có pha khác nhau và sự giao thoa sóng

1.2 Các phương thức truyền lan sóng điện từ

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 Các sóng bức xạ từ điểm phát có thể đến được các điểm thu theo những đường khác nhau Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt quả đất gọi là sóng đất hay sóng bề mặt, còn các sóng đi tới các lớp riêng biệt của tầng ion và phản xạ lại gọi là sóng điện ly hay sóng trời và sóng không gian (gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất)

20

(Hình 1.7) [Chương 1 Những vấn đề chung về truyền sóng vô tuyến điện, Bộ môn

Cơ sở KTVT Khoa Vô tuyến điện tử, Học viện kỹ thuật quân sự]

Hình 1.7 Các phương thức truyền sóng

1.2.1 S ự truyền lan sóng đất

Sóng đất là sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất, do đó còn được gọi là sóng bề mặt Sóng đất là sóng phân cực đứng bởi vì điện trường trong sóng phân cực ngang sẽ song song với bề mặt trái đất và các sóng như thế sẽ bị ngắn mạch bởi

sự dẫn điện của đất

Thành phần điện trường biến đổi của sóng đất sẽ cảm ứng điện áp trong bề mặt trái đất, tạo ra dòng điện chảy Bề mặt trái đất cũng có điện trở và các tổn hao điện môi, gây nên sự suy hao sóng đất khi lan truyền Sóng đất lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chất dẫn điện tốt như nước muối và truyền kém trên vùng sa mạc khô cằn Tổn hao sóng đất tăng nhanh theo tần số, vì thế sóng đất nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2 MHz Sóng đất được dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu

thủy và tàu thủy - bờ Sóng đất được dùng tại các tần số thấp đến 15 kHz Các

nh ược điểm của truyền lan sóng đất là: Sóng đất yêu cầu công suất phát khá cao;

Sóng đất yêu cầu anten kích thước lớn; Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất

Các ưu điểm là: Với công suất phát đủ lớn, sóng đất có thể dùng để liên lạc

giữa hai điểm bất kì trên thế giới; Sóng đất ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điều kiện khí quyển

1.2.2 S ự truyền lan sóng không gian

Gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất, truyền trong vài km tầng

dưới của khí quyển Sóng trực tiếp lan truyền theo đường thẳng giữa các anten phát

và thu, còn gọi LOS Vì thế, sóng không gian bị hạn chế bởi độ cong của trái đất

Sóng phản xạ từ đất là sóng phản xạ từ bề mặt trái đất khi lan truyền giữa anten phát

và thu Độ cong của trái đất tạo nên chân trời đối với sự truyền lan sóng không gian,

thường gọi là chân trời vô tuyến Do khúc xạ khí quyển, chân trời vô tuyến dài hơn

xấp xỉ bằng 4/3 chân trời quang học Có thể kéo dài chân trời vô tuyến bằng cách

nâng cao anten phát hoặc anten thu (hay cả hai) bằng tháp hoặc đặt trên đỉnh núi

(tòa nhà) Hình 1.8 chỉ ra ảnh hưởng của độ cao anten đến chân trời vô tuyến

Hình 1.8 Sóng không gian và chân trời vô tuyến Chân trời vô tuyến nhìn thẳng đối với một anten bằng: d = 2h (1.8)

trong đó: d = khoảng cách đến chân trời vô tuyến (dặm), h = độ cao anten so với

mực nước biển (phít) Do đó, khoảng cách giữa anten phát và anten thu là:

d =d t+d r = 2h t + 2h r (1.9)

trong đó: d là tổng khoảng cách (dặm), d d t, r là chân trời vô tuyến đối với

anten phát và anten thu (dặm hoặc kilomet), h h t, r độ cao anten phát và anten thu

(phít hoặc mét) Khoảng cách cực đại giữa máy phát và máy thu trên đất trung bình

có thể tính gần đúng theo công thức sau (đơn vị mét):

d(max) =17h t+ 17h r (1.10)

Như vậy, khoảng cách truyền sóng không gian có thể tăng bằng cách tăng độ

cao anten phát, anten thu hoặc cả hai

22

Do các điều kiện ở tầng dưới khí quyển hay thay đổi nên mức độ khúc xạ thay đổi theo thời gian Trường hợp đặc biệt gọi là truyền lan trong ống sóng xảy ra khi mật độ đạt mức sao cho các sóng điện từ bị bẫy giữa tầng này và bề mặt trái đất Các lớp khí quyển hoạt động như ống dẫn sóng và các sóng điện từ có thể lan truyền rất

xa vòng theo độ cong trái đất và trong ống (Hình 1.9)

Hình 1.9 Hiện tượng ống sóng

1.2.3 S ự truyền lan sóng trời

Các sóng điện từ có hướng bức xạ cao hơn đường chân trời (tạo thành góc

khá lớn so với mặt đất) được gọi là sóng trời Sóng trời được phản xạ hoặc khúc xạ

về trái đất từ tầng điện ly, vì thế còn gọi là sóng điện ly Tầng điện ly là vùng không gian nằm cách mặt đất chừng 50 km đến 400 km Tầng này hấp thụ một số lượng lớn năng lượng bức xạ của mặt trời, ion hóa các phân tử không khí và tạo ra electron tự do Khi sóng điện từ đi vào tầng điện ly, điện trường của sóng tác động lực lên các electron tự do, làm cho chúng dao động Khi sóng chuyển động xa trái đất, sự ion hóa tăng, song lại có ít hơn phân tử khí để ion hóa Do đó, phần trên của khí quyển có số phần trăm phân tử ion hóa cao hơn phần dưới Mật độ ion càng cao, khúc xạ càng lớn

Nói chung, tầng điện ly được phân chia thành 3 lớp: lớp D, E, và F theo độ cao của nó; lớp F lại được phân chia thành lớp F1, F2 (Hình 1.10) Độ cao và mật

độ ion hóa của 3 lớp thay đổi theo giờ, mùa và theo chu kì vết đen của mặt trời (11 năm) Tầng điện ly đậm đặc nhất vào ban ngày và mùa hè

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 50

100 137 200 300 400

Giê trong ngµy

Lí p D (chØ cã vµo ban ngµy)

Lí p E

Lí p F

F1

F2 (th¸ ng ch¹ p) F2 (®iÓm ph©n)

F2 (th¸ ng s¸ u) Km

F1 + F2

F1 + F2

Hình 1.10 Các tầng điện ly Lớp D: là lớp thấp nhất, có độ cao 50-100 km và nằm xa mặt trời nhất, do đó

có ion hóa ít nhất Như vậy lớp D ít có ảnh hưởng đến hướng truyền lan sóng vô tuyến Song các ion ở lớp này có thể hấp thụ đáng kể năng lượng sóng điện từ Lớp

D biến mất về đêm Lớp này phản xạ sóng VLF và LF, hấp thụ các sóng MF và HF

Lớp E: có độ cao 100-140 km, còn gọi là lớp Kennelly-Heaviside theo tên

của hai nhà bác học khám phá ra nó Lớp E có mật độ cực đại tại độ cao 70 dặm vào giữa trưa khi mặt trời ở điểm cao nhất Lớp E hầu như biến mất về đêm, hỗ trợ sự lan truyền sóng bề mặt MF và phản xạ sóng HF một chút về ban ngày Phần trên của lớp E đôi khi được xét riêng và gọi là lớp E thất thường Lớp này gây bởi hiện

tượng nhật hoa và hoạt động của vết đen mặt trời Đây là lớp mỏng có mật độ ion

hoá rất cao, cho phép cải thiện không ngờ cự ly liên lạc

Lớp F: gồm hai lớp F1 và F2 Lớp F1 có độ cao 140-250 km vào ban ngày Lớp F2 có độ cao 140-300 km về mùa đông và 250-350 km về mùa hè Về đêm, hai lớp này hợp lại với nhau tạo thành một lớp Lớp F1 hấp thụ và suy hao một số sóng

HF, cho qua phần lớn các sóng để đến F2 , rồi khúc xạ ngược về trái đất

1.2.4 Sóng t ầng 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

24

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

sự suy giảm càng lớn, hay các đám mưa càng lớn thì sự suy hao càng nhiều

Nh ững sóng truyền lan trực tiếp (sóng thẳng) giữa mặt đất và các đối tượng

khác ngoài v ũ trụ được gọi là sóng vũ trụ

Chỉ những sóng có tần số cao từ 1 GHz trở kên mới thích hợp với điều kiện truyền lan của sóng vũ trụ

1.3 Truyền sóng trong dải sóng 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…)

- Sóng milimet: bước sóng ngắn hơn 1 cm (f cao hơn 30 GHz)

1.4 Anten thu, phát sóng vô tuyến

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…

26

1.5 Kết luận

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

Chương 2: TRUYỀN SÓNG VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MỚI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN

LẠC SÓNG NGẮN

Giới thiệu về phương thức truyền sóng trong tầng điện ly và kỹ thuật nhảy tần, thiết lập đường truyền trong thông tin liên lạc sóng ngắn [Chương 6 Ứng dụng kỹ thuật mới trong hệ thống thông tin vô tuyến, Giáo trình Kỹ thuật thông tin vô tuyến] [Chương

4 Tầng điện ly và ảnh hưởng của nó đến truyền sóng vô tuyến điện và Chương 5 Truyền sóng với các dải sóng khác nhau, Bài giảng Kỹ thuật anten và truyền sóng]

2.1 Truyền sóng trong tầng điện ly

2.1.1 C ấu tạo tầng điện ly

Đặc điểm: Tầng điện ly là tầng ngoài cùng của khí quyển trái đất, nằm ở độ cao từ 60 đến 600km

Hình 2.1 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 :

Tầng điện ly 600Km Tầng Ozon 60Km Tầng bình lưu 30Km Tầng đối lưu 15Km

Mặt đất

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 2.1)

Từ độ cao 90 km trở lên dưới tác động của năng lượng mặt trời các phân tử này sẽ

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)

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 2.1

Bảng 2.1 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

30

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 =

2

h

π = 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 một 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( 10-5gr) 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 2.2 như sau :

Bảng 2.2 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

Tia vũ trụ 100 10-5

Bức xạ hạt của mặt trời - Chưa đánh giá

Bụi vũ trụ - Chưa đánh giá

2.1.2 Các nguyên nhân và đặc điểm của các lớp trong tầng điện ly

2.1.2.1 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

32

- Do phân bố O N2, 2 không đều theo độ cao Năng lượng để cho O N2, 2

phân ly khác nhau, xuất hiện, hình thành các lớp khác nhau

2.1.2.2 Đặc điểm các lớp trong tầng điện ly

Hình 2.3 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 ( fvacham=1÷2MHz) do đó, tái hợp nhanh, Ne

→0 , fvacham 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 cấu 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 của chất khí do gió gây ra Sự không đồng nhất nêu ở trên có thể

D

E

F

N

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 hai lớp :

-34

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

2.1.2.3 Đặc tính chung của lớp E s

a 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

b 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

c 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

d 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

0 0

= −

→ 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

2.1.3 Đặc điểm và phương thức truyền sóng tầng điện ly

2.1.3.1 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

36

Khi truyền sóng trong tầng điện ly luôn tồn tại một 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 max

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

→E thu 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,Ethu thay đổi

2.1.3.2 Ph ương 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 :

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

Miền câm

A B

Thu tốt

38

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 :

Hình 2.5: 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

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 2.6 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 100 km đối với đài phát có công suất trung bình, sử dụng bước sóng λ < 50 m 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

2.2 Truyền sóng trong thông tin sóng ngắn

2.2.1 Đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn

Những sóng vô tuyến điện có bước sóng từ 100 m đến 10 m (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

Lớp sử dụng

Lớp D

A B

O gh

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

2.2.1.1 Gi ới hạn dải 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

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

Hình 2.7 Các lớp phản xạ