Truyền lan sóng cực ngắn

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 vùn

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

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

dh < −0 157 (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 αth 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 α < αth 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

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

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

Hình 2.3 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp

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 Δ và hiệu số đường đi giữa tia phản xạ từ mặt đất và tia tới trực tiếp Δr

Cường độ điện trường tại điểm thu do tia tới trực tiếp truyền trong không gian tự do sẽ là:

( )

( )

T

T kW j tkm

er

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 :

- 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

- Δr: là hiệu số đường đi của tia phản xạ và tia trực tiếp Δr = r1-r2

- k : hệ số sóng bằng 2π/λ

Tia 2Tia 1

C

BA

- R : Hệ số phản xạ phức từ mặt đất: j

R Re = − θ, R là mô đun, θ 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 λ ≈ Δr, thay các điều kiện trên vào các công thức (2.1) và (2.2) ta sẽ nhận được:

( )

( )

T

T kW j tkm

er

T kW km

( )

F= + R cos θ + Δ π λ +r / R2

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 θ 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

1 2

2 2 2

2 1

21

2

21

22

(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 E vuông góc với tia AB còn 1vectơ E vuông góc với tia CB, như vậy chúng sẽ có phương kkhác nhau Tính toán chính xác 2trong trường hợp này theo tổng hợp vectơ E và 1 E với góc lệch tương ứng giữa chúng có giá trị 2gần đúng là 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 Δr ở công thức (2.9) vào công thức (2.8) ta có

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 θ = 1800 và khi sóng phân cực đứng R = 0,68 và θ = 1800

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:

2.3.2 Các dạng đơn giản của công thức giao thoa

Hình 2.6 Vectơ E 1 và E 2 trong trường hợp sóng phân cực thẳng đứng

1

BTia 2

Trong thực tế độ cao của anten phát và thu nhỏ hơn rất nhiều so với khoảng cách giữa chúng nên góc nghiêng δ của tia phản xạ từ mặt đất sẽ nhỏ đến mức có thể xem R = 1 và θ = 1800 Thay vào các công thức (2.6) và (2.8) và biến đổi ta sẽ nhận được

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 θ =

Ví dụ 2.3 Như ví dụ 2.2 nhưng bước sóng bằng 1m

Giải: Ta có h h t r = 25 10 = 250 (m2) và λ r / 18 = 555m2 nghĩa là thỏa mãn điều kiện h ht r ≤ λr

18 nên cường độ trường được tính theo công thức (2.13)

9 4

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

( )

( )

T

T kW h

( ) ( ) ( ) ( )

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)

Nếu chọn quan hệ giữa các thông số của một

đường thông tin như thế nào để thực hiện được đẳng

thức

sin r

π

= λ

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 )

Hình 2.8 Cự ly nhìn thấy trực tiếp

C

Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn

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:

( ) ( )

' ' T

T kW t m r m h

Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn

r hCB

=+

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

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

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:

Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn

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 π Khi Δϕ = π các tia phản xạ sẽ triệt tiêu nhau, trường tổng bằng 0 Khi góc sai pha Δϕ > π/2 thì sự phản xạ sóng có tính chất tán xạ Như vậy tiêu chuẩn Rayleigh nhận được từ

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 ε0 nhưng thực ra nó lớn hơn ε0

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

n= ε = +ε − 1

1 2