Truyền sóng anten - HV Bưu chính Viễn thông

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:151

Thêm vào BST

Báo xấu

324
lượt xem 89
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cuốn sách Truyền sóng anten cung cấp cho sinh viên các kiến thức căn bản nhất về truyền lan sóng vô tuyến điện và anten. Cuốn sách bao gồm các bài giảng về môn học "Truyền sóng và anten" được biên soạn theo chương trình đại học công nghệ viễn thông của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Tài liệu này được chia làm sáu chương, có kết cấu hợp lý để sinh viên có thể tự học. Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài bài tập. Cuối tài liệu là đáp án cho các bài tập.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Truyền sóng anten - HV Bưu chính Viễn thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG TRUYỀN SÓNG – ANTEN (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội bộ HÀ NỘI - 2006
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG TRUYỀN SÓNG – ANTEN Biên soạn : TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng ThS. Phạm Thị Thúy Hiền
LỜI NÓI ĐẦU Các hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt là các hệ thống thông tin di động đã và đang phát triển rất mạnh mẽ. Quá trình truyền sóng và anten là những phần kiến thức không thể thiếu khi nghiên cứu về các hệ thống này. Mục đích của tài liệu này là cung cấp cho sinh viên các kiến thức căn bản nhất về truyền lan sóng vô tuyến điện và anten.Tài liệu bao gồm các bài giảng về môn học "Truyền sóng và anten" được biên soạn theo chương trình đại học công nghệ viễn thông của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Tài liệu này được xây dựng trên cơ sở sinh viên đã học các môn: Lý thuyết trường điện từ, Kỹ thuật siêu cao tần. Do hạn chế của thời lượng nên tài liệu này chỉ bao gồm các phần căn bản liên quan đến các kiến thức căn bản về truyền sóng và anten. Tuy nhiên học kỹ tài liệu này sinh viên có thể hoàn chỉnh thêm kiến thức của môn học bằng cách đọc các tài liệu tham khảo dẫn ra ở cuối tài liệu này. Tài liệu này được chia làm sáu chương. Được kết cấu hợp lý để sinh viên có thể tự học. Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài bài tập. Cuối tài liệu là đáp án cho các bài tập. Người biên soạn: TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng ThS. Phạm Thị Thúy Hiền i
MỤC LỤC CHƯƠNG 1. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1 1.1. Giới thiệu chung 1 1.2. Nhắc lại một số tính chất cơ bản của sóng điện từ 1 1.3. Sự phân cực của sóng vô tuyến điện 3 1.4. Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng 6 1.5. Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực 7 1.6. Công thức truyền sóng trong không gian tự do 10 1.7. Nguyên lý Huyghen và miền Fresnel 13 1.8. Tổng kết 18 1.9. Câu hỏi và bài tập 18 CHƯƠNG 2. TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN 20 2.1. Giới thiệu chung 20 2.2. Các phương pháp truyền lan sóng cực ngắn 20 2.3. Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với các điều kiện lý tưởng 22 2.4. Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi kể đến ảnh hưởng của địa hình 29 2.5. Ảnh hưởng của tầng đối lưu không đồng nhất 32 2.6. Các dạng pha đinh và biện pháp chống 40 2.7. Tổng kết 41 2.8. Câu hỏi và bài tập 41 CHƯƠNG 3. KÊNH TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 43 3.1. Giới thiệu chung 43 3.2. Mở đầu 43 3.3. Kênh truyền sóng trong miền không gian 48 3.4. Kênh truyền sóng trong miền tần số 49 3.5. Kênh truyền sóng trong miền thời gian 50 3.6. Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau 51 3.7. Các loại pha đinh phạm vi hẹp 52 3.8. Các phân bố Rayleigh và Rice 53 3.9. Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần số 54 3.10. Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số 57 3.11. Tổng kết 60 3.8. Câu hỏi và bài tập 61 CHƯƠNG 4. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ANTEN 62 4.1. Giới thiệu chung 62 4.2. Mở đầu 62 4.3. Các tham số cơ bản của anten 65 4.4. Các nguồn bức xạ nguyên tố 73 4.5. Tổng kết 79 4.6. Câu hỏi và kiểm tra 79 CHƯƠNG 5. CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG 81 5.1. Giới thiệu chung 81 5.2. Phân bố dòng điện trên chấn tử đối xứng 81 iii
5.3. Trường bức xạ của chấn tử đối xứng trong không gian tự do 83 5.4. Các tham số của chấn tử đối xứng 85 5.5. Ảnh hưởng của mặt đất đến đặc tính bức xạ của anten 92 5.6. Hệ hai chấn tử đặt gần nhau 96 5.7. Các phương pháp cấp điện cho chấn tử đối xứng 103 5.8. Tổng kết 109 5.9. Câu hỏi và bài tập 109 CHƯƠNG 6. ANTEN DÙNG TRONG THÔNG TIN VI BA 111 6.1. Giới thiệu chung 111 6.2. Đặc điểm và yêu cầu của anten dùng trong thông tin vi ba 111 6.3. Anten nhiều chấn tử 113 6.4. Anten khe 120 6.5. Nguyên lý bức xạ mặt 124 6.6. Anten loa 129 6.7. Anten gương 132 6.8. Tổng kết 138 6.9. Câu hỏi và bài tập 138 HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 iv
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng CHƯƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Các chủ đề được trình bày trong chương - Sự phân cực của sóng vô tuyến điện - Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng - Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực - Công thức truyền sóng trong không gian tự do 1.1.2 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 1.1.3 Mục đích của chương - Nắm được các dạng phân cực của sóng vô tuyến điện và các băng sóng vô tuyến - Hiểu về các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực - Nắm được cách tính toán các tham số khi truyền sóng trong không gian tự do 1.2 NHẮC LẠI MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ. Sóng điện từ bao gồm hai thành phần: điện trường, ký hiệu E (V/m) và từ trường, ký hiệu H (A/m). Chúng có quan hệ mật thiết với nhau trong quá trình truyền lan và được mô tả bằng hệ phương trình Maxwell, viết ở các dạng khác nhau. Giả sử ta xét một sóng phẳng truyền lan trong môi trường điện môi đồng nhất và đẳng hướng có các tham số: hệ số điện môi ε và hệ số từ thẩm μ, khi không có dòng điện và điện tích ngoài, thì hệ phương trình Maxwell biểu thị mối quan hệ giữa điện trường và từ trường được viết dưới dạng vi phân như sau: ∂E x ∂H y ⎫ ε =− ∂t ∂z ⎪⎪ ⎬ (1.1) ∂E x ∂H y ⎪ = −μ ∂t ∂t ⎪⎭ 1
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng Nghiệm của hệ phương trình này cho ta dạng của các thành phần điện trường và từ trường là một hàm bất kỳ. ⎛ z⎞ ⎛ z⎞ E x = F1 ⎜ t − ⎟ + F2 ⎜ t + ⎟ (1.2a) ⎝ v⎠ ⎝ v⎠ ⎛ z⎞ ⎛ z⎞ H y = G1 ⎜ t − ⎟ + G 2 ⎜ t + ⎟ (1.2b) ⎝ v⎠ ⎝ v⎠ Trong đó: F1, F2, G1, G2 là các hàm sóng tùy ý. Δz 1 v= = (m/s) là vận tốc pha của sóng. Δt εμ Từ (1.2) ta có : G1 = F1/ Z và G2 = F2/ Z với Z= μ (Ω) là trở kháng sóng của môi ε trường. Nếu môi trường truyền sóng là chân không (còn được gọi là không gian tự do) các tham số của môi trường có giá trị: ε0 = 109/36π (F/m) ; μ0 = 4π.10-7 (H/m) 1 = 3.10 (m / s) = c (vận tốc ánh sáng) 8 Do đó : v= ε0μ 0 Z0 = μ 0 = 120π (Ω) ε0 Trong thực tế sóng điện từ thường biến đổi điều hòa theo thời gian. Đối với các sóng điện từ phức tạp ta có thể coi nó là tổng vô số các dao động điều hòa, nghĩa là có thể áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị. Trong trường hợp này khi giả thiết chỉ có sóng thuận, tức là sóng truyền từ nguồn theo phương trục z và môi trường mà không có sóng nghịch thì các thành phần điện trường và từ trường được biểu thị như sau: ( E = E m cos ω t − z v )=E m cos ω ( t − kz ) H= Em Z (v E Z ) cos ω t − z = m cos ω ( t − kz ) (1.3) Trong đó k = ω/v = 2π/λ gọi là hệ số pha hay hằng số sóng. Sóng điện từ có mật độ công suất ( hay còn gọi là thông lượng năng lượng), được biểu thị bởi véc r r r r r tơ năng lượng k = [E × H] . Như vậy sóng điện từ có các véc tơ E và H nằm trong mặt phẳng r vuông góc với phương truyền sóng k . Bởi vậy sóng điện từ truyền đi trong môi trường đồng nhất đẳng hướng là sóng điện từ ngang TEM. 2
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng Hình 1.1. Sự truyền lan sóng điện từ 1.3 SỰ PHÂN CỰC CỦA SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN. Trường điện từ của sóng vô tuyến điện khi đi trong một môi trường sẽ dao động theo một hướng nhất định. Phân cực của sóng điện từ chính là hướng dao động của trường điện từ. Việc sử dụng các phân cực khác nhau của sóng điện từ có một ý nghĩa rất lớn trong việc sử dụng hiệu quả tần số trong thông tin vô tuyến. Trường tại vùng xa của anten có dạng sóng phẳng TEM và được xác định bằng vectơ r r r r r Pointing: k = [E × H] . Điều này có nghĩa là các vectơ E và H nằm trong mặt phẳng vuông góc r với phương truyền sóng k . Phương của đường do đầu mút của véc tơ trường điện vẽ lên sẽ xác định phân cực sóng. Trường điện và trường từ là các hàm thay đổi theo thời gian. Trường từ thay đổi đồng pha với trường điện và biên độ của nó tỷ lệ với biên độ của trường điện, vì thế ta chỉ cần xét trường điện. Có ba loại phân cực sóng vô tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực tròn và phân cực elip. 1.3.1 Phân cực thẳng. Hầu hết truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, trong đó phân cực đứng được gọi là phân cực trong đó trường điện vuông góc với mặt đất và phân cực ngang được gọi là phân cực trong đó trường điện song song với mặt đất. Giả thiết rằng phương ngang và đứng được coi là trục x và y (hình1.2a). Tại một điểm nào đó trong không gian, vectơ trường của sóng được biểu thị bởi các thành phần thẳng đứng và nằm ngang như sau: r r E y = a y Eysinωt (1.4) r r E x = a x Exsinωt (1.5) r r trong đó a y , a x là các vectơ đơn vị trong phương đứng và phương ngang; Ey, Ex là giá trị đỉnh (hay biên độ) của trường điện trong phương đứng và phương ngang. 3
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng Trường tổng sẽ là vectơ E hợp với trục ngang một góc được xác định như sau: Ey α = arctan g (1.6) Ex r Trong trường hợp này ta thấy vectơ E không biến đổi. Độ dài của vectơ thay đổi theo thời gian nhưng đầu mút của vectơ luôn nằm trên đường thẳng cố định trùng với phương của vectơ có góc nghiêng α (hình 2c). Đó là hiện tượng phân cực đường thẳng của sóng điện từ. Khi α = 00 ta có r sóng phân cực ngang, lúc này vectơ E luôn song song với mặt đất; còn khi α = 900 ta có sóng r phân cực đứng, vectơ E luôn vuông góc với mặt đấy. y y +E y r | E |= E y + E x 2 2 r ay r ax x -E x +E x x Trôc z hưíng ra ngoμi -E y Hình 1.2. Các thành phân ngang và đứng của phân cực thẳng 1.3.2 Phân cực tròn Khi các thành phần thẳng đứng và nằm ngang có biên độ bằng nhau ( ký hiệu là E0) nhưng một trường nhanh pha hơn 900. Các phương trình thể hiện chúng trong trừơng hợp này như sau: r r E y = a y E0 sinωt (1.7a) r r E = a x E0 cosωt (1.7b) Áp dụng ptr. (1.6) cho trường hợp này ta được α=ωt. Biên độ vectơ tổng là E0. Trong r trường hợp này, vectơ E có biên độ không đổi nhưng hướng của nó thay đổi liên tục theo thời r gian với quy luật ωt. Nói cách khác, vectơ E quay quanh gốc của nó trong mặt phẳng xy với vận tốc ω. Đầu mút của vectơ trường điện vẽ lên đường tròn có bán kính bằng độ dài vectơ. Đó là hiện tượng phân cực tròn. 4
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng 0 y ωt = 90 0 ωt = 180 ωt zVectơ x t = 00 x hướng ra ngoài 0 ωt = 270 RHC §iÓm nh×n theo IEEE z LHC §iÓm nh×n theo IEEE z Hình 1.3. Phân cực tròn Hướng của phân cực tròn được định nghĩa bởi phương quay của vectơ điện nhưng điều này đòi hỏi ta phải quan sát cả chiều quay của vectơ. Theo định nghĩa của IEEE thì phân cực tròn tay phải (RHC) là phân cực quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng (hình 1.3), còn phân cực tròn tay trái (LHC) là phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng. Phương truyền sóng dọc theo trục z dương. 1.3.3 Phân cực elip Trong trường hợp tổng quát hơn sóng điện từ có dạng phân cực elip. Điều này xẩy ra khi hai thành phần tuyến tính là: r r E y = a y Eysinωt (1.8a) r r E = a x Excos(ωt+δ) (1.8b) 5
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng Tỷ số sóng phân cực elip là tỷ số giữa trục chính và trục phụ của elip. Phân cực elip trực giao xẩy ra khi một sóng có cùng tỷ số phân cực nhưng phương quay ngược chiều. 1.4 PHÂN CHIA SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN THEO TẦN SỐ VÀ BƯỚC SÓNG 1.4.1 Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện Sóng điện từ nói chung đã được ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống ở nhiều lĩnh vực khác nhau như y học, quốc phòng, thăm dò tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu vũ trụ, thông tin liên lạc...Dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm truyền lan để phân chia sóng vô tuyến điện thành các băng sóng khác nhau. Sóng cực dài: Những sóng có buớc sóng lớn hơn 10.000 m (tần số thấp hơn 30 kHz). Sóng dài: Những sóng có buớc sóng từ 10.000 đến 1.000 m (Tần số từ 30 đến 300 kHz) Sóng trung: Những sóng có buớc sóng từ 1.000 đến 100 m (Tần số từ 300 kHz đến 3 MHz) Sóng ngắn: Những sóng có buớc sóng từ 100 đến 10 m (Tần số từ 3 đến 30 MHz). Sử dụng cho thông tin phát thanh điều tần, truyền hình. Sóng cực ngắn: Những sóng có buớc sóng từ 10 m đến 1mm (Tần số từ 30 đến 300.000 MHz).Sóng cực ngắn được chia nhỏ hơn thành một số băng tần số . Tiếp đến là các băng sóng gần ánh sáng, hồng ngoại, ánh sáng trắng, tia cực tím, tia X… Khoảng tần số từ 30 Hz đến 3000 GHz được chia thành 11 băng tần như trong bảng 1.1 1.4.2. Các băng sóng vô tuyến điện và ứng dụng Mỗi băng sóng được ứng dụng cho các hệ thống thông tin khác nhau do đặc điểm truyền lan sóng trong các môi trường thực. Băng sóng cực dài sử dụng ở lĩnh vực vật lý, thông tin vô tuyến đạo hàng, thông tin trên biển. Băng sóng dài và băng sóng trung được sử dụng cho thông tin phát thanh nội địa, điều biên; thông tin hàng hải; vô tuyến đạo hàng. Băng sóng ngắn sử dụng cho phát thanh điều biên cự ly xa và một số dạng thông tin đặc biệt. Băng sóng mét được sử dụng cho phát thanh điều tần và truyền hình. Băng sóng decimét được sử dụng cho truyền hình, các hệ thống thông tin vi ba số băng hẹp, thông tin di động. Băng sóng centimét được sử dụng cho thông tin vi ba số băng rộng, thông tin vệ tinh. Băng sóng milimét được sử dụng hạn chế cho thông tin vệ tinh với băng Ka, dùng cho thông tin vũ trụ. 6
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng Bảng 1.1 Tên băng tần (Băng sóng) Ký hiệu Phạm vi tần số Tần số vô cùng thấp ULF 30 - 300 Hz Tần số cực thấp ELF 300 - 3000 Hz Tần số rất thấp VLF 3 - 30 kHz Tần số thấp (sóng dài) LF 30 - 300 kHz Tần số trung bình (sóng trung) MF 300 - 3000 kHz Tần số cao (sóng ngắn) HF 3 - 30 MHz Tần số rất cao (sóng mét) VHF 30 - 300 MHz Tần số cực cao (sóng decimet) UHF 300 - 3000 MHz Tần số siêu cao (sóng centimet) SHF 3 - 30 GHz Tần số vô cùng (sóng milimet) EHF 30 - 300 GHz Dưới milimet 300 - 3000 GHz 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC. Sơ lược về bầu khí quyển. Bầu khí quyển của trái đất được chia làm 3 vùng chính: tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng điện ly. Biên giới giữa các tầng này không rõ ràng và thay đổi theo mùa và theo vùng địa lý. Tính chất của các vùng này rất khác nhau. Tầng đối lưu là khoảng không gian tính từ bề mặt trái đất lên đến độ cao 6 đến 11 km. Nhiệt độ của không khí trong tầng đối lưu thay đổi theo độ cao (nhiệt độ giảm khi độ cao tăng). Ví dụ nhiệt độ trên bề mặt trái đất là 100C có thể giảm đến -550C tại biên trên của tầng đối lưu. Tầng bình lưu bắt đầu từ biên trên của tầng đối lưu và có phạm vi khoảng 50 km. Đặc điểm của tầng này là nhiệt độ hầu như không thay đổi theo độ cao. Tầng điện ly tồn tại ở độ cao khoảng từ 60 km đến 600 km. Lớp khí quyển ở tầng này rất mỏng và bị ion hóa rất mạnh chủ yếu là do bức xạ của mặt trời, ngoài ra còn có bức xạ của các vì sao, các tia vũ trụ, chuyển động của các thiên thạch tạo thành một miền bao gồm chủ yếu là các điện tử tự do và các ion. Bên cạnh đó, do tính chất vật lý của mỗi băng sóng mà mỗi băng sóng có phương thức truyền lan thích hợp để đạt được hiệu quả nhất. Do đó, tùy theo môi trường truyền sóng có bốn phương thức truyền lan sau: truyền lan sóng bề mặt, truyền lan sóng không gian, truyền lan sóng trời (sóng điện ly), và truyền lan sóng tự do. Sóng bề mặt và sóng không gian đều được gọi là sóng đất (cùng truyền lan trong tầng đối lưu) tuy nhiên chúng có sự khác nhau rõ rệt. 1.5.1 Truyền lan sóng bề mặt Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc trực tiếp với bề mặt trái đất. Bề mặt quả đất là một môi trường bán dẫn điện, khi một sóng điện từ bức xạ từ một anten đặt thẳng đứng trên mặt đất, các 7
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng đường sức điện trường được khép kín nhờ dòng dẫn trên bề mặt quả đất như chỉ ra ở hình 1.4. Nếu gặp vật chắn trên đường truyền lan, sóng sẽ nhiễu xạ qua vật chắn và truyền lan ra phía sau vật chắn. A B Phát Thu Hình 1.4: Quá trình truyền lan sóng bề mặt Như vậy sự truyền lan sóng bề mặt có thể dùng để truyền tất cả các băng sóng. Tuy nhiên, sóng bề mặt bị suy giảm nhiều do sự hấp thụ của trái đất. Sự suy giảm phụ thuộc vào tần số, khi tần số tăng thì sự suy giảm càng lớn. Hơn nữa khả năng nhiễu xạ qua vất chắn trên đường truyền phụ thuộc vào độ cao tương đối của vật chắn so với bước sóng. Với các loại đất có độ dẫn điện lớn như mặt biển, đất ẩm thì sóng ít bị suy hao trong đất, làm cho cường độ trường tại điểm thu tăng lên. Các sóng vô tuyến điện có bước sóng lớn khả năng nhiễu xạ mạnh và bị mặt đất hấp thụ nhỏ. Bởi vậy sóng bề mặt được sử dụng để truyền lan các băng sóng dài và sóng trung như trong hệ thống phát thanh điều biên, hay sử dụng cho thông tin trên biển 1.5.2 Truyền lan sóng không gian Lớp khí quyển bao quanh quả đất có độ cao từ 0 đến 11km (với tầng đối lưu tiêu chuẩn), gọi là tầng đối lưu. Các hiện tượng thời tiết như sương mù mưa, bão, tuyết... đều xẩy ra trong tầng đối lưu và ảnh hưởng rất lớn đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến điện. Nếu hai anten thu và phát đặt cao (nhiều lần so với bước sóng công tác) trên mặt đất thì sóng có thể truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, hoặc phản xạ từ mặt đất như chỉ ra ở hình 1.5a, hoặc lợi dụng sự không đồng nhất của một vùng nào đó trong tầng đối lưu để tán xạ sóng vô tuyến dùng cho thông tin gọi là thông tin tán xạ tầng đối lưu như chỉ ra ở hình 1.5b. Các phương thức thông tin như trên gọi là truyền lan sóng không gian hay sóng tầng đối lưu. Phương thức truyền lan sóng không gian thường được sử dụng cho thông tin ở băng sóng cực ngắn (VHF, UHF, SHF), như truyền hình, các hệ thống vi ba như hệ thống chuyển tiếp trên mặt đất, hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh... Phương thức truyền lan sóng không gian sẽ được nghiên cứu kỹ trong chương II a) Vùng b) không đồng nhất Phát Thu Phát Thu Hình 1.5: Truyền lan sóng không gian 8
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng 1.5.3 Truyền lan sóng trời Lớp khí quyển ở độ cao khoảng 60 km đến 600 km bị ion hoá rất mạnh chủ yếu do năng lượng bức xạ của mặt trời, tạo thành một lớp khí bao gồm chủ yếu là điện tử tự do và các ion. Lớp khí quyển đó được gọi là tầng điện ly. Tính chất đặc biệt của tầng điện ly là trong những điều kiện nhất định có thể phản xạ sóng vô tuyến điện. Lợi dụng sự phản xạ đó để sử dụng cho thông tin vô tuyến bằng cách phản xạ một hoặc nhiều lần từ tầng điện ly, như chỉ ra ở hình 1.6. Phương thức đó gọi là phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly. Tầng điện ly Tầng điện li Phát Thu Phát Thu Khuếch tán từ tầng điện ly Phản xạ nhiều lần từ tầng điện li Hình 1.6: Truyền lan sóng trời 1.5.4 Truyền lan sóng tự do Trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ ví dụ như môi trường chân không, sóng vô tuyến điện khi truyền lan từ điểm phát đến điểm thu sẽ đi theo đường thẳng, như chỉ ra trên hình 1.7, không ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng. Trong thực tế một môi trường lý tưởng như vậy chỉ tồn tại ngoài khoảng không vũ trụ. 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. Mục tiêu trong Trạm trên mặt Hình 1.7 Sự truyền lan sóng tự do 9
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng Hình 1.8 cho ta thấy các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực của khí quyển quả đất Sóng tự do Không gian tự do Tầng điện ly Tầng bình lưu Sóng không gian Sóng trời Tầng đối lưu Sóng đất Mặt đất Hình 1.8 Các phương thức truyền sóng vô tuyến điện 1.6 CÔNG THỨC TRUYỀN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 1.6.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường Giả thiết có một nguồn bức xạ vô hướng (đẳng hướng) có công suất phát PT(W) đặt tại điểm A trong một môi trường không gian tự do là môi trường đồng nhất đẳng hướng và không hấp thụ, có hệ số điện môi tương đối ε' = 1. Xét trường tại một điểm M cách A một khoảng r (m). 1 m2 r A M (PW) Hình 1.9: Bức xạ của nguồn bức xạ vô hướng trong không gian tự do Vì nguồn bức xạ là vô hướng, môi trường đồng nhất và đẳng hướng nên năng lượng sóng điện từ do nguồn bức xạ sẽ tỏa đều ra không gian thành hình cầu. Như vậy mật độ công suất (mật độ thông lượng năng lượng) ở điểm M cách nguồn một khoảng r sẽ được xác định bằng công thức sau: PT Si = (W/m2) (1.9) 4 πr 2 Theo lý thuyết trường điện từ ta có: 10
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng Si = E h H h (W/m2) (1.10) Eh Hh = (A/m) (1.11) 120π Trong đó: Eh (V/m), Hh (A/m) là giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường và từ trường ; 120π là trở kháng sóng của không gian tự do (Ω) Thay công thức (1.11) vào (1.10) được 2 Eh Si = (W/m2) (1.12) 120π So sánh công thức (1.12) và (1.9) ta có 30PT Eh = 2 (V/m) (1.13) r Nhận xét: cường độ điện trường của sóng vô tuyến điện truyền lan trong môi trường đồng nhất đẳng hướng và không hấp thụ tỷ lệ thuận với căn hai công suất bức xạ, tỷ lệ nghịch với khoảng cách. Khoảng cách tăng thì cường độ trường giảm vì năng lượng sóng toả rộng ra không gian, còn gọi là sự khuyếch tán tất yếu của sóng. Để hạn chế sự khuếch tán này người ta sử dụng các bộ bức xạ có năng lượng tập trung về hướng cần thông tin để làm tăng cường độ trường lên. Đó chính là các anten có hướng, với hệ số hướng tính D hoặc hệ số khuếch đại G. Nếu nguồn bức xạ có hướng, lúc đó năng lượng của sóng vô tuyến điện sẽ được tập trung về hướng điểm M được biểu thị bằng hệ số hướng tính hay hệ số khuếch đại như chỉ ra trên hình 1.10. bức xạ vô hướng M A Hình1.10: Nguồn bức xạ có hướng Trong trường hợp này mật độ công suất được xác định theo công thức PT G T S= (W/m2) (1.14) 4 πr 2 khi đó cường độ điện trường sẽ được tính theo công thức: 30PT G T Eh = (V/m) (1.15) r 11
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng Nếu sóng điện từ do nguồn bức xạ biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là theo quy luật sinωt, cosωt, hoặc viết dưới dạng phức số eiωt thì giá trị tức thời của cường độ điện trường sẽ được biểu thị bởi công thức 60PT G T E(t) = cos ( ωt − kr ) (V/m) (1.16) r Trong đó: ω tần số góc của sóng k = ω/c =2π/λ hệ số sóng (hệ số pha) Nếu viết ở dạng phức công thức (1.16) có dạng: 60PT G T j( ωt − kr ) E(t) = e (V/m) (1.17) r Nếu biểu thị cự ly r (km), công suất phát PT(kW), ta sẽ có giá trị hiệu dụng của cường độ trường: 173 PT ( kW ) G T Eh = (mV/m) (1.18a) r( km ) Biên độ của trường là 245 PT( kW ) G T Em = (mV/m) (1.18b) r( km ) và giá trị tức thời của cường độ trường 245 PT( kW ) G T j( ωt − kz ) E(t) = e (mV/m) (1.19) r( km ) 1.6.2 Công suất anten thu nhận được Trong khi tính toán tuyến ta cần phải xác định công suất anten thu nhận được PR để đưa vào đầu vào của máy thu sao cho máy thu có thể làm việc được. Công suất anten thu nhận được bằng mật độ thông lượng công suất tại nơi đặt anten thu nhân với diện tích hiệu dụng của anten thu: PR = S.Ah (W) (1.20) Diện tích hiệu dụng củ anten thu bằng diện tích thực tế nhân với hiệu suất làm việc Ah = A. ηa. Trong các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng anten gương parabol tròn xoay quan hệ giữa tính hướng và diện tích hiệu dụng của anten được cho bởi công thức G λ 2 Ah = R (m2) (1.21) 4π Thay công thức (1.14) và (1.21) vào công thức (1.20) ta có 12
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng PT G T G R λ 2 PR = (W) (1.22) ( 4πr ) 2 Nếu biểu thị cự ly r (km), công suất bức xạ PT(kW), ta có công thức PT( kW ) G T G R λ 2 −3 ( m) PR = 6, 33.10 2 (mW) (1.23) r ( km ) 1.6.3 Tổn hao truyền sóng Khi sóng vô tuyến điện truyền trong một môi trường, ngoài tổn hao do môi trường gây ra như bị hấp thụ trong các phân tử khí, trong hơi nước..., tổn hao do tán xạ do mây mưa, tổn hao do vật chắn v.v... thì sự suy hao lớn nhất chính là do sự khuyếch tán tất yếu của sóng ra mọi phương và được gọi là tổn hao không gian tự do. Nếu ta bức xạ ra môi trường một công suất PT, anten thu chỉ nhận được một công suất PR, thì hệ số tổn hao truyền sóng được định nghĩa bằng tỉ số của công suất bức xạ trên công suất anten thu nhận được, được biểu thị bằng biểu thức: ( 4πr ) 2 P L= T = (số lần) (1.24) PR G T G R λ 2 Trong trường hợp không có tác động tính hướng của nguồn, nghĩa là GT=1, GR=1, tổn hao được gọi là tổn hao truyền sóng cơ bản trong không gian tự do, và bằng: ( 4πr ) 2 L0 = (số lần) (1.25) λ 2 Tính theo đơn vị dB ta được: 10log10L = 20log10(4πr) - 20log10λ - 10log10GT - 10log10GR L(dB) = 20log10(4πr) - 20log10λ - GT(dBi) - GR(dBi) (1.26) và: L0 = 20log10(4πr) - 20log10λ (dB) (1.27) L0 = 20log10r(km) + 20log10f(GHz) + 92,45 (dB) (1.28) L0 = 20log10r(km) + 20log10f(MHz) + 32, 5 (dB) (1.29) 1.7 NGUYÊN LÝ HUYGHEN VÀ MIỀN FRESNEL 1.7.1 Nguyên lý Huyghen 13
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng Để hiểu rõ một số đặc điểm truyền lan của sóng trên mặt đất cần biết những khái niệm về miền Fresnel. Việc biểu thị miền được dựa trên nguyên lý Huyghen. Nguyên lý Huyghen cho biết rằng mỗi điểm của mặt sóng gây ra bởi một nguồn bức xạ sơ cấp có thể được coi như một nguồn sóng cầu thứ cấp mới. Vì vậy nguyên lý này cho phép ta có thể tính trường điện từ ở một điểm bất kỳ trong không gian khi đã biết được trường ở một bề mặt nào đó. Giả sử nguồn của sóng sơ cấp đặt tại điểm A (hình 1.11). Ký hiệu S là một mặt kín bất kỳ bao quanh nguồn sóng. Bây giờ ta xác định trường của sóng tại điểm bất kỳ nằm ngoài mặt kín, theo các trị số của trường trên mặt S. M S r A Hình 1.11: Xác định trường theo nguyên lý Huyghen Ký hiệu ψ là thành phần của trường cần tìm tại điểm M và ψS là trị số của thành phần ấy trên mặt S. Khoảng cách từ mỗi điểm trên mặt S đến M được ký hiệu là r. Theo nguyên lý Huyghen, trường thứ cấp tạo bởi một nguyên tố bề mặt dS tại điểm M được xác định theo công thức e− ikr dψ = AψS dS (1.30) r Trong đó A là một hệ số tỷ lệ. Trường tổng tại điểm M sẽ là trường tạo bởi toàn mặt S e− ikr ψ = ∫ AψS dS (1.31) S r Nếu S là mặt phẳng thì i A= cos ( n,r ) λ n là pháp tuyến ngoài của mặt phẳng; λ là bước sóng công tác Thay vào (1.31) ta có công thức Huyghen đối với mặt phẳng i e − ikr cos ( n,r ) ψS λ ∫S ψ= dS (1.32) r 14
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng Trong trường hợp mặt S có dạng bất kỳ, công thức Huyghen có dạng tổng quát −1 ⎡ ∂ ⎛ e − ikr ⎞ e − ikr ∂ψS ⎤ 4π ∫S ⎣ ∂n ⎝ r ⎠ ψ= ⎢ψ ⎜ ⎟− ⎥dS (1.33) r ∂n ⎦ Nguyên lý Huyghen cũng nêu lên rằng năng lượng từ mỗi điểm truyền theo tất cả các hướng và tạo thành nhiều mặt sóng cầu sơ cấp được gọi là các sóng con. Đường bao của các sóng con này sẽ tạo ra một mặt sóng mới. Với độ chính xác cao, mỗi mặt sóng có thể được biểu diễn bởi một mặt phẳng có pháp tuyến chính là véc tơ mật độ thông lượng năng lượng k (hình 1.12, đường AA’ được coi là vị trí bắt đầu của sóng). Các sóng sơ cấp bắt nguồn từ mỗi điểm trên AA’ tạo ra một mặt sóng mới BB’. Mặt BB’ được vẽ tiếp tuyến với tất cả các sóng sơ cấp có cùng bán kính. Như chỉ ra trong hình các sóng thứ cấp bắt nguồn từ các điểm dọc AA’ có biên độ không cùng tỉ lệ theo tất cả các hướng. Nếu gọi α là góc giữa hướng của điểm C bất kỳ trên mặt cầu sơ cấp và véc tơ pháp tuyến của mặt sóng thì biên độ sóng sơ cấp theo hướng đó sẽ tỉ lệ với (1+ cosα). Như vậy biên độ sóng theo hướng k sẽ tỉ lệ với (1+ cos0) = 2, còn trong hướng khác biên độ sẽ nhỏ hơn 2. Sóng ngược trở lại có biên độ bằng 0 vì (1+ cosπ) = 0. Do đó không có sóng truyền theo hướng ngược trở lại. Các sóng truyền về phía trước theo hướng pháp tuyến với mặt sóng. Sự sai khác pha giữa các dao động tại các điểm lân cận của các đường AA’ và BB’ phụ thuộc vào khoảng cách r giữa chúng theo tỉ lệ k.r = 2πr/λ. Nếu r = λ thì tất cả các điểm của AA’ và BB’ sẽ dao động cùng pha, còn nếu r = λ/2 thì các điểm đó sẽ dao động ngược pha. A B C α A’ B’ Hình 1.12. Biểu diễn nguyên lý Huyghen trong không gian tự do 1.7.2 Miền Fresnel 15