quá trình truyền lan sóng trong môi trường thực [truyền dẫn vô tuyến]

SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT HÀN
KHOA TIN HỌC ỨNG DỤNG
BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
ĐỀ TÀI
QUÁ TRÌNH TRUYỀN LAN SÓNG TRONG
MÔI TRƯỜNG THỰC
Giảng viên hưỡng dẫn : Nguyễn Vũ Anh Quang
Sinh viên thực hiện : Phạm Ngọc Anh
Nguyễn Quyết Đạt
Đà Nẵng, ngày 10 tháng 12 năm 2011
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
1
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
MỤC LỤC
1. Tính chất của sóng điện từ………………………….…………… 2
2. Phân cực sóng vô tuyến điện………………………………… …2
2.1 Phân cực thẳng……………………………………………………2
2.2 Phân cực tròn…………………………………………………… 3
2.3 Phân cực elip………………………………………………………3
3. Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng……… 3
3.1 Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện ………………………3
3.2 Các băng sóng vô tuyến điện và ứng dụng………………………4
4. Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực ……5
4.1 Truyền lan sóng bề mặt………………………………………… 5
4.2 Truyền lan sóng không gian…………………………… ………5
4.3 Truyền lan sóng trời…………………………………… ………6
4.4 Truyền lan sóng tự do…………………………… ………….…6
5. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến.7
5.1 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do…………… …7

5.2 Ảnh hưởng Pha đinh…………………………………………… 7
5.2.1 Các kĩ thuật làm giảm ảnh hưởng của pha đinh…………… 7
5.2.1.1 Phân tập theo không gian…………………………………….7
5.2.1.2 Phân tập theo tần số………………………………………… 8
6. Các công thức truyền sóng trong không gian tự do…………… 8
6.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường…………8
6.2 Tổn hao truyền sóng………………… ……………………… 10
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
2
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
1. Tính chất của sóng điện từ
Sóng điện từ gồm 2 thành phần chính là điện trường kí hiệu là E ( V/m )
và từ trường kí hiệu là H (A/m). Chúng có quan hệ mật thiết với nhau và được
mô tả bằng phương trình Maxwell.
Sóng điện từ có mật độ công suất được biểu thị qua năng lượng vecto
năng lượng
.k E H
 
=
 
r
r r
. Vì vậy vecto E và H vuông góc với phương truyền
sóng. Sóng điện từ truyền qua trong môi trường đẳng hướng là sóng ngang
TEM.
Hình 1.1 Sự truyền lan sóng điện từ
2. Phân cực sóng vô tuyến điện
Trường điện từ của sóng vô tuyến điện sẽ dao động theo một huớng xác
định. Phân cực sóng điện từ chính là hướng dao động của trường điện từ. Có 3
loại phân cực bao gồm: phân cực tròn, phân cực thẳng và phân cực elip.

2.1 Phân cực thẳng
Phần lớn 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 gọi là phân cực khi trường điện song song với mặt đất.
Hình 1.2 Các thành phần phân cực thẳng và phân cực ngang
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
3
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
2.2 Phân cực tròn
Hiện tượng phân cực tròn là hiện tượng mà đầu nút vecto sẽ vẽ lên đường
tròn có độ dài bán kính bằng vecto. Hướng của phân cực tròn được xác đinh
bởi tay quay của vecto. Phân cực tròn tay phải là phân cực quay cùng chiều kim
đồng hô. Phân cực tròn tay trái là phân cực quay ngược kim đồng hồ khi nhìn
dọc theo phương truyền sóng. Phương truyền sóng là trục z dương.
Hình 1.3 phân cực tròn
2.3 Phân cực elip
Tỷ số phân cực elip là tỉ số giữa trục chính và trục phụ elip. Phân cực elip
trục giao xảy ra khi một sóng có cùng tỉ số phân cực. nhưng phương quay
ngược chiều.
3. Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng
3.1 Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện
Dựa vào tính chất vật lý, đặc điểm truyền lan để phân chia sóng vô điện
thành các băng sóng khác nhau:
- Sóng cực dài: Có bước sóng lớn hơn 10.000 m ( tần số thấp hơn 30kHz )
- Sóng dài: Có bước sóng từ 10.000 đến 1000 m ( tần số từ 30 đến 300 kHz )
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
4
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
- Sóng trung: Có bước sóng từ 1000 đến 100m ( tần số từ 300 đến 3 kHz )
- Sóng ngắn: Có bước sóng từ 100 đến 10m ( tần số từ 3 đến 3kHz )

- Sóng cực ngắn: Có bước sóng từ 10 m đến 1 mm ( tần số từ 30 đến
300.000MHz )
- Tiếp theo là các sóng gần, ánh sáng, hồng ngoại, ánh sáng trắng, tia cực tím,
tia X,…
3.2 Các băng sóng vô tuyến điện và ứng dụng
- Băng sóng cực dài sử dụng ở lĩnh vực vật lí, thông tin vô tuyến hàng hải
- Băng thông dài và băng sóng trung sử dụng trong thông tin phát thanh nội
địa, điều biên, thông tin hàng hải, vô tuyến đạo hàng.
- Băng sóng ngắn sử dụng phát thanh điều biên cự ly xa và một số dạng âm
thanh đặc biệt.
- Băng sóng mét sử dụng cho phát thanh điều tần và truyền hình
- Băng sóng dentimet sử dụng cho phát thanh truyền hình, các hệ thống thông
tin vi băng hẹp, thông tin di động.
- Băng sóng centimet được sử dụng trong thông tin vi ba số băng rộng, thông
tin di động
- Băng thông milimet được sử dụng hạn chế trong thông tin vê tinh, dùng cho
thông tin vu trụ

ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
5
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
4. Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực
4.1 Truyền lan sóng bề mặt
*Khuyết điểm:
- Chất lượng sóng bị giảm do sự hấp thụ của trái đất. Sư hấp thụ này phụ thuộc
vào tần số, nếu tần số tăng thì bị suy giảm càng lớn.
- Khả năng nhiễu xạ qua vật chắn trên đường đi phụ thuộc đi phụ thuộc vào độ
cao tương đối của vật chắn so với bước sóng.
*Ứng dụng:
- Hệ thống phát thanh, thông tin trên biển

4.2 Truyền lan sóng không gian
*Nguyên lý:
- Anten đặt cao trên mặt đất ít nhất vài bước sóng
- Sóng điện từ đến điểm thu theo 3 cách
+ Sóng trực tiếp: Đi thẳng từ điểm phát đến điểm thu
+ Sóng phản xạ: Đến điểm thu sau khi phản xạ trên mặt đất (thỏa mãn ĐL PX)
+ Tán xạ
*Đặc điểm:
- Chụi tác động thay đổi môi trường bên ngoài như mưa, bão, giông,. …
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
6
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
*Ứng dụng:
- Sử dụng trong băng sóng cực ngắn ( UHF, VHF ) như truyền hình, các hệ
thống vi ba, hệ thống thông tin di động, hệ thống thông tin vệ tinh.
4.3 Truyền lan s óng trời
*Đặc điểm:
- Lợi dụng đặc tính phản xạ của tầng điện ly đối với băng sóng cực ngắn.
- Sóng điện từ phản xạ sẽ quay trở về trái đất.
- Không ổn định do sự thay đổi điều kiện phản xạ của tầng điện li
*Ứng dụng:
- Sự dụng trong thông tin vô tuyến
4.4 Truyền lan sóng tự do

*Nguyên lý:
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
7
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
- Môi trường truyền sóng lý tưởng (đồng tính, đẳng hướng, không hấp thụ <=>
môi trường chân không)

- Sóng truyền lan trực tiếp đến điểm thu theo một đường thẳng
*Đặc điểm:
- Môi trường chỉ tồn tại trong vũ trụ, sử dụng cho thông tin vũ trụ
- Bầu khí quyển trái đất trong một số điều kiện nhất định được coi là không
gian tự do
5. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến
5.1 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do
Độ suy hao cúa sóng vô tuyến được phát từ anten phát đến anten thu trong
không gian tự do tỉ lệ thuận với khoảng cách giữu hai ăng ten và tỉ lệ nghịch
với độ dài buớc sóng. Suy hao này gọi là suy hoa trong không gian tự do và
tính như sau:

0
4
20log
d
L
π
λ
 
=
 ÷
 

5.2 Ảnh hưởng Pha đinh
Pha đinh là biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang tại anten thu do không có
sự thay đôi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của
dất và nước trên đường sóng vô tuyến đi qua
Có 2 loại pha đinh là:
- Pha đinh phẳng: làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số

- Pha đinh lựa chọn tần số: làm thay đổi tín sóng mang với mức thay đổi phụ
thuộc vào tần số
5.2.1 Các kĩ thuật làm giảm ảnh hưởng của pha đinh
Để hạn chế ảnh hưởng của pha đinh trong truyền sóng vô tuyến người ta sử
dụng hai kĩ thuật là phân tập theo không gian và phân tập theo tần số để nâng
cao chất lượng của tín hiệu thu
5.2.1.1 Phân tập theo không gian
Phân tập theo không gian là kĩ thuật thu và phát một tín hiệu trên cùng 1
điểm phát với cùng một tần số f
Khoảng cách giữa máy phát và máy thu được chọn sao cho tín hiệu riêng
biệt được thu không tương quan nhau tương ứng với hệ số tương quan bằng 0
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
8
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
Khả năng cải thiện cải thiện tín hiệu thu của một anten được xác định bằng
độ lợi phân tập Ios
( )
4
2
10
2
10
100
9 4 / 40
Fm
r
s f
Ios a
d
− +

   
=
 ÷  ÷
   
Trong đó: s là khoảng cách giữa 2 tâm của cặp thu phát (m)
f là tần số sóng mang (GHz)
a
r
là hệ số hhuếch đại công suất phân tập so với anten chính
A
d
là hệ số khuếch đại anten phân tập (dB)
A
m
là hệ số khuếch đại anten chính (dB)
d là độ dài tuyến truyền dẫn
F
m
là độ dự trữ pha đinh phẳng
5.2.1.2 Phân tập theo tần số
Phân tập theo tần số là kĩ thuật là kỹ thuật thu phát một tín hiệu trên hai
kênh tần số sóng vô tuyến.
Hệ số cải thiện phân tập tần số là:
/10
0.8(1/ )( / )10
FM
Iof fd f f
= ∆
Trong đó: f là tần số trung tâm của băng tần (GHz)
d là độ dài đường truyền (km)

/f f
∆
là khoảng cách tần số tương đối biểu thị bằng %
F
m
là độ dự trữ pha đinh (dB)
6. Các công thức truyền sóng trong không gian tự do
6.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường
Ta có nguồn bức xạ là vô hướng, môi trường đẳng hướng và đồng nhất nên
năng lượng sóng điện từ do nguồn bức xạ sẽ tỏa đều ra không gian hinh cầu.
Lúc này mật độ thông lượng tại một điểm cách nguồn một khoảng cách r xác
định như sau:

( )
2
2
W /
4
T
i
P
S m
r
π
=
1.1
Theo lý thuyết trường ta có:

( )

2
W /
i h h
S E H m
=
1.2
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
9
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT

120
h
h
E
H
π
=
1.3
Trong đó E
h
(V/m), H
h
(A/m) là giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường
và từ truờng.
Thay công thức 1.2 vào 1.1 ta có

2
120
h
i

E
S
π
=
1.4
So sánh công thức 1.1 và 1.4 ta có

2
30
T
h
P
E
r
=
1.5
*Nếu nguồn bức xạ có hướng thì mật độ thông lượng xác định như sau:

( )
2
2
W /
4
T T
P G
S m
r
π
=
1.6

Lúc này cường độ điện truờng được tính như sau:

( )
2
30
/
T T
h
P G
E V m
r
=
1.7
*Nếu sóng điện từ là nguồn bức xạ biến đổi điều hòa theo thời gian theo quy
luật
sin , ost c t
ω ω
hoặc viết dưới dạng số phức thì cường độ điện trường tính
bởi công thức sau:

( ) ( ) ( )
60
os /
t t
PG
E t c t kr V m
r
ω
= −
1.8

Trong đó
t
ω
là tần số góc của sóng

/ 2 /k c
ω π λ
= =
là hệ số sóng
Nếu viết dưới dạng số phức thì công thức 1.8 có dạng như sau:

( )
( )
( )
60
/
j t kr
t t
PG
E t e V m
r
ω
−
=
1.9
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
10
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
Nếu biểu thị cự li r (km), công suất phát P
T

(kW) thì ta có giá trị hiệu dụng
điện trường như sau:

( )
( )
( )
173
/
kW
T T
h
P G
E mV m
r km
=
1.10
Biên độ của trường

( )
( )
( )
245
/
kW
T T
m
P G
E mV m
r km
=

1.11
Giá trị tức thời của cường độ trường

( )
( )
( )
( )
( )
245 60
/
t
t kW
j t kz
km
P G
E t e mV m
r
ω
−
=
1.12
6.2 Tổn hao truyền sóng
*Nếu ta chỉ bức xạ ra môi trường một công suất P
T
, anten thu chỉ thu nhận
một công suất P
r
, thì hệ số tổn hao khi truyền sóng được đinh nghĩa bằng tỉ số
của công suất bức xạ trên công suất anten thu được bằng biểu thức

( )
2
2
4
R
T T R
r
P
L
P G G
π
λ
= =
(số lần) 1.13
*Trong trường hợp không có tác động tính hướng của nguồn, nghĩa là G
T
=1,
G
r
=1 được gọi là tổn hoa trong không gian tự do và tính như sau

( )
2
2
4 r
L
π
λ
=
( số lần ) 1.14

Tính theo đơn vị dB:
( ) ( ) ( ) ( )
10 10
20log 4 20log
T R
L dB r G dBi G dBi
π π
= − − −
Và
( ) ( )
0 10 10
20log 4 20logL r dB
π π
= −
( )
0 10 10
20log 20log 92.45
km GHz
L r f dB
= − +
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
11
SV THỰC HIỆN: NGỌC ANH – QUYẾT ĐẠT
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Giáo trình Ăng ten và truyền sóng – Học viện Bưu Chính Viễn
Thông năm 2008
[2] Các cơ sở về sóng vô truyến và pha đinh - www.daihoc.com.vn
ĐỒ ÁN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN
12