Truyền sóng anten ts nguyễn phạm anh dũng ths phạm thị thúy hiển, 147 trang

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

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:
∂H y ⎫
∂E x
=−
∂t
∂z ⎪⎪
⎬
∂H y ⎪
∂E x
= −μ
∂t
∂t ⎪⎭

ε

(1.1)

3


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.
⎛
⎝

E x = F1 ⎜ t −

z⎞
z⎞

⎛
⎟ + F2 ⎜ t + ⎟
v⎠
v⎠
⎝

(1.2a)

z⎞
z⎞
⎛
⎛
H y = G1 ⎜ t − ⎟ + G 2 ⎜ t + ⎟
v⎠
v⎠
⎝
⎝

(1.2b)

Trong đó: F1, F2, G1, G2 là các hàm sóng tùy ý.
v=

1
Δz
(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

ε

(Ω) là trở kháng sóng của môi

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)
Do đó :

v=

1
8
= 3.10 (m / s) = c (vận tốc ánh sáng)
ε 0μ 0

Z0 = μ 0

ε0

= 120π (Ω)

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
H=

(

v

)=E

m

cos ω ( t − kz )

)

Em
E
cos ω t − z = m cos ω ( t − kz )
v
Z
Z

(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
G
G
G
G G
tơ năng lượng k = [E × H] . Như vậy sóng điện từ có các véc tơ E và H nằm trong mặt phẳng
G
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.

4


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
G
G
G
G G
Pointing: k = [E × H] . Điều này có nghĩa là các vectơ E và H nằm trong mặt phẳng vuông góc
G

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:

G
G
E y = a y Eysinωt
G
G
E x = a x Exsinωt

(1.4)
(1.5)

G G
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.

5

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:

α = arctan g

Ey

(1.6)

Ex

G
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
G
sóng phân cực ngang, lúc này vectơ E luôn song song với mặt đất; còn khi α = 900 ta có sóng
G
phân cực đứng, vectơ E luôn vuông góc với mặt đấy.

G
2
2
| E |= E y + E x

G
ay G
ax

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:

G
G
E y = a y E0 sinωt
G G
E = a x E0 cosωt

(1.7a)
(1.7b)

Áp dụng ptr. (1.6) cho trường hợp này ta được α=ωt. Biên độ vectơ tổng là E0. Trong
G
trường hợp này, vectơ E có biên độ không đổi nhưng hướng của nó thay đổi liên tục theo thời
G
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.

6


Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng

ωt = 90

ωt = 180

0

0

ωt

ωt = 270

0

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:

G
G
E y = a y Eysinωt
G G
E = a x Excos(ωt+δ)

(1.8a)
(1.8b)

7


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.

8


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

9


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
Phát

B
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
Vùng
a)
không
b)
đồng nhất

Phát

Thu
Hình 1.5: Truyền lan sóng không gian

10

Phát

Thu


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

Phát

Thu

Thu
Phản xạ nhiều lần từ tầng điện li

Khuếch tán từ tầng điện ly

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

11


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

Tầng đối lưu

Sóng trời

Mặt đất

Sóng 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).

A
(PW)

r

1 m2
M

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:
Si =

PT
(W/m2)

2
4πr

Theo lý thuyết trường điện từ ta có:

10

(1.9)


Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng
Si = E h H h (W/m2)

(1.10)

Eh
(A/m)
120π

(1.11)

Hh =

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 =

120π

(W/m2)

(1.12)

So sánh công thức (1.12) và (1.9) ta có

Eh =

30PT
r

(V/m)

2

(1.13)

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

S=

PT G T
(W/m2)
2
4 πr

(1.14)

khi đó cường độ điện trường sẽ được tính theo công thức:

Eh =

30PT G T
r

(V/m)

(1.15)

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
E(t) =

60PT G T
cos ( ωt − kr ) (V/m)
r

(1.16)

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
r

E(t) =

(V/m)

(1.17)

Nếu biểu thị cự ly r (km), công suất phát PT(kW), ta sẽ có giá trị hiệu dụng của cường độ
trường:
Eh =

173 PT ( kW ) G T
r( km )

(mV/m)

(1.18a)

(mV/m)

(1.18b)

Biên độ của trường là
Em =

245 PT ( kW ) G T
r( km )

và giá trị tức thời của cường độ trường

E(t) =

245 PT( kW ) G T
r( km )

e

j( ωt − kz )

(mV/m)

(1.19)

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
Ah =

GRλ
4π

2

(m2)

Thay công thức (1.14) và (1.21) vào công thức (1.20) ta có

12

(1.21)


Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng
PT G T G R λ

PR =

( 4πr )

2

(W)

2

(1.22)

Nếu biểu thị cự ly r (km), công suất bức xạ PT(kW), ta có công thức
PR = 6, 33.10

−3

PT( kW ) G T G R λ
r

2

2

( m)

(mW)

(1.23)

( 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 )
P
L= T =
PR G T G R λ 2
2

(số lần)

(1.24)

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:
L0

( 4πr )
=
λ

2

2

(số lần)

(1.25)

Tính theo đơn vị dB ta được:
10log10L = 20log10(4πr) - 20log10λ - 10log10GT - 10log10GR
L(dB) = 20log10(4πr) - 20log10λ - GT(dBi) - GR(dBi)

(1.26)

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)

và:

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.

S

r

M

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
dψ = AψS

e − ikr
dS
r

(1.30)

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
S
r

(1.31)

Nếu S là mặt phẳng thì
A=

i
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

ψ=

14

i
e − ikr
os
n,r
ψ
dS
c
( ) S
λ ∫S
r

(1.32)


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 ∂ψ S ⎤
ψ=
⎥dS
⎢ψ ⎜
⎟−

4π ∫S ⎣ ∂n ⎝ r ⎠
r ∂n ⎦

(1.33)

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


Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng

Nguyên lý Huyghen cho phép xác định phần không gian thực sự tham gia vào quá trình
truyền lan sóng. Giả sử có một nguồn bức xạ được đạt tại điểm A và máy thu được đặt tại
điểm B. Lấy A làm tâm, ta vẽ một hình cầu bán kính r1. Hình cầu này là một trong số các mặt
sóng. Trên hình 1.13 ký hiệu r2 là khoảng cách từ B đến mặt cầu bán kính r1. Từ B vẽ một họ
các đường thẳng cắt mặt cầu ở các điểm cách B một khoảng bằng r2 +λ/2. Họ các đường
thẳng này sẽ tạo thành một hình chóp nón cắt mặt cầu tại N1 và N1’. Bằng cách tương tự ta lập
các mặt nón bậc cao có
BN1 = r2 + λ/2
BN2 = r2 + 2λ/2, …
BNn = r2 + nλ/2
Giao của các mặt nón với mặt cầu là các đường tròn đồng tâm. Miền giới hạn bởi các
đường tròn gọi là miền Fresnel. Miềm giới hạn bởi đường tròn N1 là miền; miền giới hạn bởi các
đường tròn N1 và N2 là miền Fresnel thứ hai…(Miền Fresnel bậc cao)
Áp dụng nguyên lý Huyghen, ta coi mặt cầu là tập hợp những nguồn điểm thứ cấp và ta
tính trường tạo bởi những nguồn ấy tại điểm B. Các nguồn điểm thứ cấp trong miền Fresnel thứ
nhất sẽ tạo ra trường tại B có pha khác pha với trường do điểm N0 tạo ra ở B một góc Δϕ < 1800.
Pha của trường tạo bởi nguồn điểm thứ cấp trong miền Fresne bậc hai khác pha với trường do
điểm N0 tạo ra ở B một góc 1800 < Δϕ < 3600. Một cách tổng quát có thể thấy rằng Pha của
trường tạo bởi miền Fresne bậc hai khác pha với trường tạo bởi miền Fresnel thứ nhất 1800. Pha
của trường tạo bởi miền Fresne bậc ba khác pha với trường tạo bởi miền Fresnel thứ hai 1800 ...

sự khác nhau ấy được biểu thị bởi các dấu cộng, trừ trên hình vẽ.
Nn
N1
N0

A

B

N’1

r1

Nn’

r2
+ N4 +
- N3 +
+ N2 +
- N-+
+
1
+
- +
+
+
N0 + - + - +
+- + + ++
+
- - +

+
+
+ -+
+
+

Hình 1.13: Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel trên mặt sóng cầu

16


Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng

Người ta chứng minh được rằng tác dụng của các miền Fresnel bậc cao nằm kề nhau sẽ bù
trừ cho nhau do pha của chúng ngược nhau nên cuối cùng tác dụng tổng hợp của tất cả các miền
Fresnel bậc cao gần như chỉ tương đương tác dụng của khoảng nửa miền Fresnel thứ nhất. Như
vậy, khoảng không gian có tham gia vào quá trình truyền sóng có thể xem như được giới hạn bởi
một nửa miền Fresnel thứ nhất.
Các vùng Fresnel có thể được xây dựng trên các bề mặt có hình dạng bất kỳ. Để thuận tiện
ta chọn bề mặt để lập miền Fresnel là mặt phẳng S0. Mặt phẳng này vuông góc với phương truyền
lan AB (hình 1.14)

S0

Nn
bn

A

r1

N0

r2

B

Hình 1.14: Xác định bán kính miền Fresnel

Theo định nghĩa ta có:

AN n + BN n = r1 + r2 + n

λ
2

Mặt khác ANn và BNn có thể được xác định theo hình học

AN n = r12 + b 2n ≈ r1 +

b 2n
2r1

BN n = r22 + b 2n ≈ r2 +

b 2n
2r2

Ta có bán kính miền Fresnel tính gần đúng bằng
bn =

r1r2
nλ
r1 + r2

(1.34)

Đối với vùng Fresnel thứ nhất, n = 1, nên

b1=

r1r2
λ
r1 + r2

(1.35)

Khi ta dịch chuyển mặt phẳng S0 dọc theo đường truyền lan từ A đến B, giới hạn của miền
Fresnel sẽ vạch ra một mặt elipsoit. Ở đây, ta chỉ xét miền thứ nhất. Ta có
AN1 + BN1 = r1 + r2 +

λ
= cosnt
2

17


Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng

Đây chính là phương trình của hình elipsoit với các tiêu điểm A và B (hình 1.15). Khoảng không
gian tham gia vào quá trình truyền lan sóng được giới hạn bởi ½ miền Fresnel thứ nhất. Trong
hình vẽ, khoảng không gian này được đánh dấu bởi các đường kẻ song song.

b1max

A

B

Hình 1.15: Vùng tham gia vào quá trình truyền lan sóng

1.8 TỔNG KẾT
Chương này đã xét các vấn đề chính liên quan đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến. Thứ
nhất là về phân cực của sóng vô tuyến điện, việc sử dụng các phân cực khác nhau của sóng điện từ
có ý nghĩa rất lớn trong việc sử dụng một cách hiệu qủa tần số trong thông tin vô tuyến. Thứ hai là
về cách phân chia các băng sóng vô tuyến và ứng dụng. Thứ ba đề cập đến các phương pháp
truyền lan sóng, có bốn phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực đó là: truyền lan sóng
bề mặt, truyền lan sóng không gian, truyền lan sóng trời và truyền lan sóng tự do. Mỗi phương
thức truyền sóng sẽ được sử dụng để truyền lan cho băng sóng nhất định để đạt được hiệu quả lớn
nhất. Trong chương cũng đưa ra các công thức tính toán các thông số cơ bản của quá trình truyền
sóng đó là mật độ công suất, cường độ điện trường, công suất nhận được tại điểm thu, và tổn hao
truyền sóng. Cuối cùng đề cập đến khái niệm miền Fresnel và từ đó xác định khoảng không gian
trực tiếp tham gia vào quá trình truyền lan sóng từ điểm phát đến điểm thu được giới hạn bởi một
nửa miền Fresnel thứ nhất.

1.9 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1.Trình bày các dạng phân cực của sóng vô tuyến điện.
2. Trình bày các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực.
3. Xây dựng công thức tính mật độ công suất bức xạ và cường độ điện trường khi truyền sóng

trong môi rường không gian tự do.
4. Phát biểu định nghĩa và viết biểu thức tính tổ hao truyền sóng.
5. Trình bày về miền Fresnel.
6. Mặt trời có công suất bức xạ theo mọi hướng khoảng 3,85.1020 W, khoảng cách nhỏ nhất từ quả
đất đến mặt trời là 147.098.090 km (vào tháng giêng) và lớn nhất là 152.097.650 km. Tính:
- Mật độ công suất bức xạ cực tiểu và cực đại của mặt trời lên bề mặt quả đất?

18


Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng

- Mật độ công suất bức xạ mặt trời ở khoảng cách trung bình và tỷ lệ phần trăm sai số của
bức xạ cực đại và cực tiểu so với giá trị trung bình?
7. Một máy phát có công suất 3 W, anten phát có hệ số khuếch đại là 30 dBi. Ở cự ly 40 km đặt
một anten thu có diện tích hiệu dụng là 3,5 m2, hiệu suất làm việc 100%. Tính công suất sóng
mang nhận được ở anten thu.
(a) 0,164.10-5 W; (b) 0,164.10-4 W; (c) 0,154.10-5 W ; (d) 0,154.10-4 W
8. Xác định công suất máy phát cần thiết để thực hiện tuyến thông tin có các điều kiện: cự ly
thông tin 50 km, tần số công tác 2GHz, hệ số khuyếch đại của anten thu và anten phát là 30 dBi,
công suất anten thu nhận được là 10-6W.
(a) 1,63W; (b) 2,63W; (c) 3,63W; (d) 4,63W
9. Một máy phát có công suất 50 W. Biểu diễn công suất máy phát sang đơn vị dBm và dBW?
(a) 15 dBW và 45 dBm; (b) 16 dBW và 46 dBm; (c) 17 dBW và 47 dBm; (d) 18dBW và 48 dBm
10. Công suất ở bài 9 được cấp cho anten vô hướng làm việc với sóng mang có tần số 900 MHz,
tìm công suất thu (tính theo dBm) tại điểm cách anten phát một khoảng 10 km. Giả sử anten thu
có hệ số khuếch đại là 2 và sóng truyền trong không gian tự do.
(a) - 45,5 dBm; (b) - 51,5 dBm; (c) - 55,5 dBm; (d) - 61,5 dBm
11. Số liệu như bài 9 và 10, tính biên độ cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm đặt anten thu.
(a) 2,9 mV/m; (b) 3,9 mV/m; (c) 4,9 mV/m; (d) 5,9 mV/m

12. Tính tổn hao khi truyền sóng trong không gian tự do (theo dơn vị dB) biết cự ly truyền sóng
50 km, tần số công tác 2 GHz, với anten vô hướng.
(a) 132,5 dB; (b) 135,5 dB; (c) 142,5 dB; (d) 145,5 dB
13. Số liệu như bài 12, nếu cả hai anten có hệ số khuyếch đại là 30 dBi thì tổn hao là bao nhiêu?
(a) 72,5 dB; (b) 75,5 dB; (c) 82,5 dB; (d) 85,5 dB
14. Một nguồn vô hướng có công suất bức xạ 100W. Môi trường truyền sóng là không gian tự do.
Hãy xác định:
a, Mật độ công suất tại điểm cách xa nguồn 1000 m.
(a) 6,96 μW; (b) 6,96 mW; (c) 7,96 μW; (d) 7,96 mW
b, Mật độ công suất tại điểm cách xa nguồn 20 km.
(a) 19,9 pW ; (b) 19,9 μW ; (c) 20,9 pW; (d) 20,9 μW
15. Xác định cường độ điên trường hiệu dụng tại điểm thu với các giả thiết cho trong bài 13.
(a) 44,7 mV/m và 1,74 mV/m; (b) 44,7 mV/m và 2,74 mV/m; (c) 54,7 mV/m và 1,74 mV/m; (d)
54,7 mV/m và 2,74 mV/m
16. Xác định mật độ công suất tại điểm cách anten 30 km của một anten có công suất bức xạ 5 W
và hệ số khuếch đại của anten là 40 dBi.
(a) 4,42 pW; (b) 4,42 µW; (c) 5,42 pW; (d) 5,42 μW
17. Một anten phát có hệ số khuyếch đại 30 dBi, hiệu suất làm việc 60%. Để có cường độ điện
trường hiệu dụng tại điểm thu cách anten phát 100 km bằng 3,46 mV/m thì cần phải đưa vào anten
công suất là bao nhiêu? Với điều kiện sóng truyền trong không gian tự do.
(a) 3 W; (b) 3,5W; (c) 4 W; (d) 5 W

19


Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn

CHƯƠNG 2
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

20

Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn
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

C
D

V

C

B

A

Hình 2.1. Sự khuếch tán sóng trong tầng đối lưu
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
dN
< −0,157 (1/m) thì tia sóng đi vào tầng đối lưu sẽ bị uốn cong với độ cong lớn hơn độ cong
dh

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.

21


Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn
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.
2
3

1

α4
A

αgh
5

4’

4
5’

h0

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.

Hình 2.3. Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp
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

22


Chương2: Truyền lan sóng cực ngắn
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.
B

Tia 1
A

hr
Tia 2

ht
C
r
Hình 2.4. Mô hình truyền sóng trong điều kiện lý tưởng
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:

E1 =

245 PT( kW) GT1
r1( km)

e

jωt

(mV/m)

(2.1)

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 :

E2 = R

245 PT( kW ) G T 2
r2( km)

e

j( ωt − kΔr )

(mV/m)

(2.2)

Trong đó:
- 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

23