Bài giảng Kỹ thuật anten và truyền sóng: Chương 3 Truyền sóng trong tầng điện ly cung cấp cho người học những kiến thức như: Tầng điện ly; Tần số plasma và tần số tới hạn; Vận tốc pha và vận tốc nhóm; Định luật Secant và tần số khả dụng cực đại (MUF); Tần số làm việc tối ưu; Độ cao biểu kiến - cự ly thông tin; Nhiễu loại Ion và Fading.
Trang 1CHƯƠNG 3 TRUYỀN SÓNG TRONG TẦNG ĐIỆN LY
3.1 Tầng điện ly
3.2 Tần số plasma và tần số tới hạn
3.3 Vận tốc pha và vận tốc nhóm
3.4 Định luật Secant và tần số khả dụng cực đại (MUF)
3.5 Tần số làm việc tối ưu
3.6 Độ cao biểu kiến - cự ly thông tin
3.7 Nhiễu loại Ion và Fading
Trang 23.1 Tầng điện ly
Khái niệm: Tầng điện ly là lớp bên trên của bầu khí quyển
(khoảng 60km-600km), nơi chiụ tác dụng của các bức xạ sóng ngắn (bức xạ tử ngoại, bức xạ Rơn-ghen) của mặt trời
và các bức xạ khác từ vũ trụ, nên chứa nhiều ion và electron
tự do
Tùy theo độ cao và mật độ electron tự do, người ta chia tầng điện ly thành các lớp
+ Lớp C và D: độ cao biểu kiến 60-80km Ban đêm lớp C,D gần như biến mất
+ Lớp E: độ cao biểu kiến 110km Ban đêm lớp E gần như biến mất + Lớp F1: độ cao biểu kiến 180km Ban đêm lớp F1 giảm đáng kể
Trang 33.1 Tầng điện ly
Trang 43.1 Tầng điện ly
Trang 53.1 Tầng điện ly
Trang 6 Trong tầng điện ly, hằng số phi điện của môi trường bị Ion hóa giảm theo biểu thức:
𝜅 = 1 − 𝑁 𝑞𝑒
2
𝜀𝑜𝑚𝜔2 (3.1) Trong đó: N – mật độ electron, 𝑚−3
m – khối lượng eletron = 9,11.10−31𝑘𝑔
qe = 1,6.10−19𝐶
εo = 8,852 10−12𝐹/𝑚(hằng số điện môi)
ω – tần số góc của sóng (rad/s)
3.2 Tần số Plasma và tần số tới hạn
Trang 7 Vận tốc góc của sóng có thể được chọn ở một giá trị để
làm cho κ = 0, tần số này được gọi là tần số Plasma
Từ công thức (3.1), ta có:
Tần số góc plasma: 𝜔𝑁2 = 𝑁.𝑞𝑒
2
𝜀𝑜𝑚 (3.2)
Tần số Plasma: 𝑓𝑁 = 9 𝑁 (3.3)
Ý nghĩa: khi sóng có tần số f N đi đến vùng có mật độ electron N thì hằng số phi điện = 0, mật động dòng điện dịch = 0, điện trường hiệu dụng =0 và thành phần sóng phản xạ triệt tiêu sóng tới tại
điểm phản xạ
3.2 Tần số Plasma và tần số tới hạn
Trang 8 Vận tốc pha:
𝑣𝑝 = 𝑐
𝜅 Khi sóng đạt đến độ cao mà κ = 0, vp = ∞ Và năng lượng
sóng truyền theo vận tốc nhóm vg và trong lớp bị Ion hóa
được biểu diễn bởi biểu thức sau:
𝑣𝑝𝑣𝑔 = 𝑐2
Vận tốc nhóm:
𝑣𝑔 = 𝑐
2
𝑣𝑝
3.3 Vận tốc pha – vận tốc nhóm
Trang 93.4 Định luật secant và tần số khả
dụng cực đại (MUF)
Một tia sóng đi vào lớp điện ly với
góc tới là i, vận tốc pha ở bất kỳ độ
cao nào được xác định dựa vào
định luật Snell cho điều kiện khúc
xạ quang:
𝑠𝑖𝑛𝑖
𝑐 =
𝑆𝑖𝑛𝑟
𝑣𝑝
r – góc khúc xạ tại độ cao có vận tốc vp
Tại vị trí cao nhất, r = 90 𝑜 , ta có 𝑣𝑝 = 𝑐
𝑆𝑖𝑛𝑖
Trang 103.4 Định luật secant và tần số khả
dụng cực đại (MUF)
Mặt khác ta có: 𝑣𝑝 = 𝑐
𝜅
Suy ra: 𝜅=sini => 1 − 𝑓2𝑁
𝑓2 = 𝑠𝑖𝑛2𝑖
=> 𝑓 = 𝑓𝑁𝑠𝑒𝑐𝑖 (Định luật Secant)
• Tần số khả dụng cực đại: ứng với độ cao có Nmax khi mà sóng tới còn có khả năng phản xạ trở lại mặt đất
MUF = fo seci
Trang 113.5 Tần số làm việc tối ƣu
Khi truyền sóng trong tầng điện ly, để nâng cao hiệu suất truyền sóng và hạn chế suy hao do những thay đổi bất thường trong tầng điện ly làm lệch hướng đi của tia sóng ra khỏi lớp này Các thí nghiệm thực tế cho thấy chỉ nên dùng tần số thấp hơn 15% MUF
Trang 123.6 Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin
Thành phân theo phương ngang của
vận tốc nhóm: vh = vg sinr
=> 𝑣𝑔 = 𝑐2
𝑣𝑝
Và 𝑣 = 𝑐2 𝑠𝑖𝑛𝑟
𝑣𝑝
Áp dụng đl Snell, suy ra: 𝑣 = 𝑐2 𝑠𝑖𝑛𝑖
𝑐 = 𝑐 𝑠𝑖𝑛𝑖
Ý nghĩa: thành phần theo phương ngang của vận tốc nhóm
phụ thuộc vào góc tới của sóng và không phụ thuộc vào độ
Trang 13 Thời gian để sóng đạt đến điểm cao nhất trên đường truyền (điểm C) là:
𝑡 = 𝐴𝐶
𝑣 =
𝐴𝐶
𝑐 𝑠𝑖𝑛𝑖 =
𝐴𝐵 𝑐 Như vậy sóng di chuyển theo khoảng cách AB với vận tốc c và thời gian t
Độ cao biểu kiến của một lớp h = OB – là độ cao mà ở đó sóng
được xem như phản xả với hằng số vận tốc là c
• Giả sử mặt đất phẳng và các điều kiện của tầng điện ly đối xứng cho cả sóng tới và sóng phản xạ, cự ly đường truyền thông tin là:
𝑇𝑅 = 2
𝑡𝑎𝑛𝛽
3.6 Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin
Trang 14 Khi có tính đến độ cong của trái đất, cự ly thông tin có thể được xác định một cách hình học như sau:
𝜃 = 𝛼 − 𝑠𝑖𝑛−1 𝑎
𝑎+ 𝑠𝑖𝑛𝛼 = (90 − 𝛽) − 𝑠𝑖𝑛−1 𝑎
𝑎+ 𝑐𝑜𝑠𝛽
3.6 Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin
𝑠𝑖𝑛𝑖
𝑎 =
sin (180 − 𝛼)
𝑎 + =
𝑠𝑖𝑛𝛼
𝑎 + Đồng thời: 180-α = 180 – (i+θ) -> i = α - θ
sin (𝛼 − 𝜃)
𝑠𝑖𝑛𝛼
𝑎 +
Trang 15 Cự ly thông tin (có tính độ cong trái đất):
d = 2aθ = 2𝑎 𝜋
2 − 𝛽 − 𝑠𝑖𝑛−1 𝑎
𝑎+ 𝑐𝑜𝑠𝛽
Ví dụ: Tính cự ly thông tin cho quá trình truyền sóng trong
tầng điện ly ở lớp có độ cao biểu kiến là 200km Góc ngẩng của chùm tia anten là 20𝑜 Theo 2 trường hợp:
+ Mặt đất phẳng, môi trường lý tưởng
+ Có tính đến độ cong trái đất
Biết a = 6370km
3.6 Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin
Trang 163.7 Các nhiễu loạn ion và Fading
Ở các phần trên, các tính toán được thực hiện với điều
kiện giả định là mật độ electron thay đổi ổn định và đồng nhất; có thể dự đoán được các thay đổi theo từng ngày,
từng mùa …
Tuy nhiên, trong thực tế, tầng điện ly thể hiện tính bất
thường của mật độ electron trong các lớp khác nhau, gây
ra bởi các nhiễu loạn trong quá trình di chuyển trong tầng điện ly TID (traveling ionspheric disturbances)
Các nhiễu loạn này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến
quá trình truyền sóng trong tầng điện ly
Trang 17 Một số nguyên nhân gây nhiễu loạn ion:
+ Sóng trọng trường mạnh trong bầu khí quyển
+ Các dòng điện và plasma bất thường trong tầng điện ly
+ Các bức xạ mặt trời -> bão từ trường (đặc biệt tại các điểm
vĩ tuyến cao: gần cực từ trường)
+ Lớp E rời rạc (sporadic E) với mật độ electron cao ->
thường cho qua quá trình truyền sóng được chiếu trên lớp E
3.7 Các nhiễu loạn ion và Fading
Trang 18 Các dạng Fading
+ Fading xuyên nhiễu (interference fading): do sự sai pha của
các tia sóng
+ Fading phân cực (polarization fading): xảy ra khi các tia thông
thường và tia bất thường kết hợp cùng pha
+ Fading chọn lựa (selective fading): do bản chất đường đi của
tia sóng trong tầng điện ly sẽ khác nhau với các tần số khác nhau -> không cần xem xét tất cả các nhiễu loạn -> giới hạn trong dải hẹp (băng thông 3kHz)
* Ghi chú: Fading là hiện tượng tăng giảm thường xuyên sự biến đổi cường
3.7 Các nhiễu loạn ion và Fading