Slide truyền lan sóng cực ngắn (môn anten và truyền sóng)

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

CHƯƠNG 2

TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN

Trang 1


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
NỘI DUNG
 Nội dung chương 2: (5)

• 2.1 Tổng Quát
• 2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện
lý tưởng

• 2.3 Ảnh hưởng của độ cong trái đất
• 2.4 Ảnh hưởng của địa hình
• 2.5 Ảnh hưởng của tầng đối lưu
• 2.6 Câu hỏi và bài tập

Trang 2


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

2.1 Tổng quát
 Đặc điểm truyền lan sóng cực ngắn

• Bước sóng từ 1mm đến 10m (300GHz – 30MHz): Là
sóng siêu cao tần (RF – Radio Frequency)

• Phương pháp truyền
+ Tần số cao nên không thể phản xạ trong tầng điện ly (đi
xuyên qua)
+ Bước sóng ngắn nên khả năng nhiễu xạ kém, bị hấp thụ
mạnh bởi mặt đất
+ Phương pháp truyền sóng không gian: Là phù hợp nhất
- Tán xạ tầng đối lưu
- Siêu khúc xạ tầng đối lưu
- Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp
Trang 3


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.1 Tổng quát
 Đặc điểm truyền lan sóng cực ngắn

• Tán xạ tầng đối lưu
+ Tồn tại các vùng không gian không đồng nhất trong tầng đối lưu
+ Sóng đi vào trong vùng không đồng nhất sẽ khuyếch tán theo
mọi hướng

 Lợi dụng để truyền sóng đến điểm thu
+ Đặc điểm: Không ổn định do vùng không đồng nhất luôn thay
đổi

Hình 2.1: Tán xạ tầng đối lưu

Trang 4


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.1 Tổng quát
 Đặc điểm truyền lan sóng cực ngắn

• Siêu khúc xạ tầng đối lưu
+ Chỉ số chiết suất N giảm theo độ cao.
+ Khi tốc độ giảm đạt dN/dh < -0,157 (m-1)  Tia sóng có bán kính
cong lớn hơn độ cong trái đất nên quay trở lại mặt đất : Siêu
khúc xạ
 Lợi dụng để truyền sóng đến điểm thu sau khi phản xạ nhiều
lần trên mặt đất
2
+ Đặc điểm: Không ổn định do miền siêu 3khúc xạ luôn thay đổi
1

αgh
α4
A

5

4

4’
5’

h0

Hình 2.2: Siêu khúc xạ tầng đối lưu

Trang 5


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

2.1 Tổng quát
 Đặc điểm truyền lan sóng cực ngắn
• Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp
+ Hai anten thu và phát phải được đặt cao trên mặt đất để tránh bị
che chắn bởi các vật cản trên đường truyền hay độ cong của
trái đất
+ Sóng truyền từ phát đến thu trong miền không gian nhìn thấy
trực tiếp giữa hai anten
+ Đặc điểm: Ít phụ thuộc vào điều kiện thiên nhiên, sử dụng phổ
biến

Hình 2.3 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực

tiếp
Trang 6


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng
 Sơ đồ tuyến thông tin

• Khảo sát quá trình truyền lan sóng với điều kiện lý tưởng
+ Mặt đất là bằng phẳng, không có vật cản trên đường truyền
+ Khí quyển đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ
+ Anten đặt cao trên mặt đất ít nhất vài bước sóng công tác (λ)

• Sơ đồ truyền lan sóng

B

Tia 1

Sóng đến điểm thu theo hai
đường:
+ Sóng trực tiếp: Đi trực tiếp từ
phát đến thu
+ Sóng phản xạ: Đến thu sau khi
phản xạ từ mặt đất (chỉ có một tia
thỏa mãn định luật phản xạ)

A

hr
Tia 2

ht
C
r

Hình 2.4 Mô hình truyền sóng với điều
kiện lý tưởng
Trang 7


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng
 Cường độ điện trường tại điểm thu
cường độ trường hai sóng thành phần (giao thoa)
• Tổng hợp
uuur uur uur
E R = E1 + E 2

(2.1)

+ Cường độ trường do tia trực tiếp

E1 =

245. PT ( kW ) G T1

r1( km )

e

jω t

( mV/m )

+ Cường độ
trường
tia phản xạ
245.
PT ( kWdo
) G T2 j( ωt − k∆r )
E2 = R
e
( mV/m )

(2.2)

(2.3)

r2( km )

Trang 8


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng
 Cường độ điện trường tại điểm thu

• Do chiều cao anten hT, hR <nhưng khi tính sai pha thì không bỏ qua vì ∆r = r2 – r1 ≈ λ
+ Cường độ điện trường do tia trực tiếp
E1 =

245. PT ( kW ) G T
r( km )

e

jωt

(2.4)

( mV/m )
(2.5)

+ Cường độ điện
trường
tia phản 2xạ
π
245.
PT ( kWdo
) G T j ωt −θ−∆r λ ÷
E2 = R
e
r( km )

( mV/m )
(2.6)

2π 


− j θ+∆r ÷ 
245. trường
PT( kW ) G T tổng
+ Cường độ điện
jωt
λ 
1 + R .e 
e
E = E1 + E 2 =
r( km )



A

( mV/m )

Tia
2

h
t

B

Tia
1

C

Trang 9


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng
 Cường độ điện trường tại điểm thu
+ Đặt β = θ + k.∆r: Góc sai pha toàn phần. Chuyển dạng hàm mũ
sang hàm lượng giác

1 + R.e − j β = 1 + R.cos β − jR.sin β = 1 + R.cos β + R 2 .e − jϕ
tgϕ = R.sin β

1 + R.cos β

+ Cường độ điện trường tổng tại điểm thu
2
245. PT( kW ) G T . 1 + 2R cos β + R j( ωt −ϕ)
E=
.e
r( km )
Eh =

(2.7)

173. PT( kW ) G T
r( km )

. 1 + 2R cos β + R

2

( mV/m )

( mV/m )

2
+ Hệ số suy giảm trong trường
F = 1 + 2R cos β + R = F βhợp mặt1 −đất
R ≤phẳng
F ≤ 1+ R

( )

(

(2.8)

(2.9)

)

(2.10)
Trang 10


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng

 Cực trị của hệ số suy giảm
• Với tuyến xác định: hT, hR, λ, θ, có thể xác định cự ly thông tin
r để có hệ số suy giảm đạt cực trị
+ Cực đại tại (θ + k.∆r) = 2n.π
với n = 1,2,…
+ Cực tiểu tại (θ + k.∆r) = (2n + 1).π
với n = 1,2,…

Trang 11


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng
 Cường độ điện trường tại điểm thu

B
Tia 1

• Hiệu số đường đi giữa hai tia

hr -ht

r

A

hr

Tia 2
ht

r = AB = ( h r − h t ) + r
2
1
2
2

2

2

(

r = AB

)

' 2

= ( ht + hr ) + r
2

C

2

2

hr +ht

r2 − r1 = ( r2 − r1 ) . ( r2 + r1 ) = ( h t + h r ) − ( h r − h t )
2

∆r =

2

2

2h t h r
r

( m)

(2.11)

hr

2

B’

Hình 2.5 Xác định hiệu số đường đi
giữa hai tia

Trang 12


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng
 Cường độ điện trường tại điểm thu

• Do r >> hT, hR  góc tới tia phản xạ rất lớn (≈ 900)  R ≈ 1; θ ≈
0
2
180
F = 1 + 2R cos β + R

(

+R
r.λ )
= 2. sin ( 2π.h .h
)
r.λ
r.λ )

F = 1 + 2R cos θ + 4π.h T .h R

(

F = 2 − 2cos 4π.h T .h R

2

T

(2.12)

R

 0,36.h ( m ) .h R ( m )

F =+ 2.Công
sin  thứcThợp
lý hóa
r( km ) .λ ( m ) ÷


346. PT( kW ) .G T
 0,36.h T( m ) .h R ( m )

E h+=
. sin 
÷
Côngrthức giao thoa
 đơn giản r( km ) .λ ( m ) 

( km )

(2.13)

( mV / m )

(2.14)
Trang 13


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng
 Cường độ điện trường tại điểm thu

• Công thức Vơvedensky
+ Khi:

(2.17)

h T .h R < r.λ

18

⇔ F = 4π.h T .h R
Eh =

λ.r

2,18. PT( kW ) .G T .h T ( m ) .h R ( m )
2
( km )

r

.λ ( m )

( mV / m )

(2.18)

+ Công thức
.h R
xác định cường độ điện trường(2.19)
tại cự ly
r > 18.h TVơvedensky

λ

Trang 14


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.2 Truyền lan trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với điều kiện lý tưởng
 Điều kiện truyền sóng tốt nhất

• Cường độ điện trường tia tới trực tiếp

• Cường độ điện trường tổng:

+ Khi:
<=>

Trang 15


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.3 Ảnh hưởng của độ cong trái đất
 Sơ đồ tuyến thông tin khi kể đến độ cong trái đất

• Ảnh hưởng của độ cong trái đất
+ Hiệu số đường đi giữa sóng trực tiếp và sóng phản xạ thay đổi
+ Điểm phản xạ lồi nên có tính tán xạ  Hệ số phản xạ nhỏ
+ Hạn chế tầm nhìn trực tiếp giữa anten thu và phátB
A
h ’r

h ’t

A1

C

B1
hr

ht
a

Hình 2.7 Mô hình truyền
sóng trên mặt đất cầu
O

Trang 16


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.3 Ảnh hưởng của độ cong trái đất
 Cự ly nhìn thấy trực tiếp, cường độ điện trường tại điểm thu

• Cự ly nhìn thấy trực tiếp r0
+ Là cự ly lớn nhất có thể nhìn thấy được với anten có độ cao h T,
r0 = AC + CB hR
r
o

AC =
CB =

( a + ht )

2

( a + hr )

2

− a ≈ 2a.h r
2

)

( h t << a )

( h r << a )

(

ht + hr

(

+ Công thức thực nghiệm
h(rt (0m=
h r ( m )ly dọc
theo
( km
) mặt đất)
) +r, cự
(2.21)

r0 = 2a.

r0 = 3,57

− a 2 = 2a.h t + h 2t ≈ 2a.h t

( m)

)

(2.20)

C

A

B

ht

hr

a

O

Hình 2.8 Cự ly nhìn thấy trực
tiếp
Trang 17


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.3 Ảnh hưởng của độ cong trái đất
 Cự ly nhìn thấy trực tiếp, cường độ điện trường tại điểm thu

• Cường độ điện trường
+ Quá trình truyền sóng ở cự ly nhỏ hơn cự ly nhìn thấy trực tiếp
- Tương tự như mặt đất phẳng, chiều cao anten xác định bằng chiều cao
giả định : h’t, h’r
- Giá trị chiều cao anten giả định xác định bằng hệ số bù m (tra theo bảng
hoặc đồ thị)
'

'

h t .h r = m.h t .h r
∆r =
F=

(2.22)

2.m.h t .h r
r

( m)

(2.23)

4π.m.h t .h r
λ.r

Eh =

(2.24)

2,17 PT( kW ) G T .m.h t ( m ) .h r ( m )
r

2

( km ) .λ ( m )

( mV / m )

(2.25)
Trang 18


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN

2.4 Ảnh hưởng của địa hình
 Độ gồ ghề của trái đất (tia phản xạ)
• Ảnh hưởng độ ghề của trái đất
+ Hiện tượng tán xạ
+ Tiêu chuẩn Rayleigh

h<

λ
8sin θ

( m)

(2.26)

Hình 2.9 Mặt cắt ngang địa hình thực
Tia A

h: Độ cao của mặt đất
phẳng giả định so với mặt
đất thực
θ: Góc tới tại điểm phản xạ

Tia B

Mặt sóng 1
C

A

Khi tiêu chuẩn Rayleigh thỏa mãn

Mặt sóng 2

C’

θ

sự phản xạ sóng không có tính tán xạ
 Mặt đất coi là phẳng

A’

B’

h

B

Hình 2.10 Mô hình tiêu chuẩn Rayleigh
Trang 19


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.4 Ảnh hưởng của địa hình
 Nguyên lý Huyghen, miền Fresnel (tia trực tiếp)

• Nguyên lý Huyghen
+ Nhận xét
- Bản chất điện từ của sóng ánh sáng
- Tính chất sóng của sóng điện từ khi truyền lan

+ Nguyên lý: Mỗi điểm nằm trên một mặt sóng do một nguồn bức
xạ sóng điện từ sơ cấp gây ra sẽ trở thành nguồn bức xạ thứ
cấp mới. Nguồn bức xạ thứ cấp mới này lại tạo ra các mặt sóng
thứ cấp mới khác. Như vậy trường điện từ tại một điểm trong

không gian do một nguồn bức xạ sơ cấp sinh ra sẽ do toàn bộ
M xạ sơ cấp gây ra.
vùng không gian bao
quanh nguồn
bức
S
r
A

Hình 2.11: Xác định trường theo nguyên lý Huyghen
Trang 20


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.4 Ảnh hưởng của địa hình
 Nguyên lý Huyghen, miền Fresnel (tia trực tiếp)

C

B

B’

• Nguyên lý Huyghen

A’

A

α

Hình 2.12. Biểu diễn nguyên lý
Huyghen trong không gian tự do

+ Ý nghĩa
-

-

Quá trình truyền sóng điện từ từ điểm phát đến điểm thu không phải chỉ theo
một tia mà cường độ trường tại điểm thu là do toàn bộ miền không gian bao
quanh điểm phát gây ra
Có thể xác định cường độ trường tại một điểm bất kỳ trong không gian khi biết
mật độ trường của mặt sóng tạo ra nó.

Trang 21


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.4 Ảnh hưởng của địa hình
 Nguyên lý Huyghen, miền Fresnel (tia trực tiếp)
Nn

• Miền Fresnel

N1

+ Xây dựng miền Fresnel

+ Dựng mặt sóng đi qua N0

+ Dựng mặt nón tròn xoay trục BN 0,

N0

A

N’1

đường sinh là: (BN0 + n.λ/2), cắt
mặt sóng ở Nn
+

+ Khái
niệm
Miền
Fresnel
thứ

r1

( 2)

AN n + N n B − AB = n. λ

r2

N n’

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

n (Fn) là vùng không gian

được giới hạn bởi quỹ tích các điểm mà hiệu số
giữa tổng khoảng cách từ điểm này đến điểm
phát và điểm thu với khoảng cách giữa hai điểm
thu phát là hằng số có giá trị bằng n lần nửa
bước sóng công tác.

B

(2.27)

+ Miền Fresnel có dạng elip tròn xoay nhận hai điểm
thu và phát làm tiêu điểm, có bán kính là b n

Hình 2.13: Nguyên lý cấu
tạo miền Fresnel trên mặt
sóng cầu
Trang 22


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.4 Ảnh hưởng của địa hình
 Nguyên lý Huyghen, miền Fresnel (tia trực tiếp)

• Miền Fresnel
+ Tính bán kính bn λ

AN n + BN n = r1 + r2 + n.
AN n =

( b n << r1 )

BN n =

b 2n
b 2n
r + b = r2 . 1 + 2 ≈ r2 +
r2
2r2

( b n << r2 )

2
2

2
n

2
n

A

r1.r2
.n.λ
r1 + r2

( m)

( r1 + r2 ) ( km) .f( GHz )

( m)

r2

B

Hình 2.14: Xác định bán kính miền Fresnel
b1max

(2.28)

+ Công thức
r1(km) .r2(km)
.n lý hóa
hợp

b n = 17,32.

r1
N0

b 2n
b 2n
λ
⇔ r1 +
+ r2 +
= r1 + r2 + n.
2r1
2r2
2
bn=

Nn

bn

2

b 2n
b 2n
r + b = r1. 1 + 2 ≈ r1 +
r1
2r1
2
1

S0

(2.29)

A

B

Hình 2.15: Vùng tham gia vào quá trình
truyền lan sóng
Trang 23


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.4 Ảnh hưởng của địa hình

 Nguyên lý Huyghen, miền Fresnel (tia trực tiếp)

• Miền Fresnel
+ Chứng minh được rằng: Cường độ trường tại điểm thu chủ yếu
được gây ra bởi vùng không gian nằm trong khoảng một nửa
miền Fresnel thứ nhất (0,6b1). Tổng cường độ trường do các điểm
nằm ngoài miền này gây ra tại điểm thu sẽ bù trừ cho nhau và triệt
tiêu do pha của chúng ngược nhau. Đây là giới hạn của vùng
truyền sóng trong phạm vi nhìn thấy trực tiếp
+ Ý nghĩa
-

-

Quá trình truyền sóng vô tuyến giữa hai anten thu và phát không phải chỉ
theo một tia, cũng không phải do toàn bộ miền không gian mà chỉ là vùng
không gian có dạng elip tròn xoay nằm trong khoảng một nửa miền
Fresnel thứ nhất
Quá trình truyền sóng vô tuyến cơ bản tồn tại khi vùng không gian giới
hạn bởi 0,6 b1 không bị cản trở suốt dọc đường truyền
Để quá trình phát và thu sóng vô tuyến đạt hiệu quả cao, ta dùng các biện
pháp kỹ thuật để sóng điện từ bức xạ ra chỉ tập chung trong miền Fresnel
thứ nhất  sử dụng anten có hướng (anten parabol)
Trang 24


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN SÓNG VÀ ANTEN
2.5 Ảnh hưởng của tầng đối lưu

 Định luật Snell về hiện tượng khúc xạ

• Định luật Snell mô tả mối quan hệ giữa góc của hai sóng ánh
sáng và chiết suất của hai chất liệu có dạng:
n1 x sin(θ1) = n2 x sin(θ2)

• n1 là chiết suất của môi trường tia tới, n2 là chiết suất của môi
trường tia khúc xạ truyền. θ1 là góc (so với pháp tuyến) mà tia
tới chạm mặt phân cách, θ2 là góc tia khúc xạ đi ra.

• Khi n1 < n2 thì góc khúc xạ luôn luôn nhỏ hơn góc tới . Ngược
lại, khi n2 < n1 thì góc khúc xạ luôn luôn lớn hơn góc tới . Khi
n1 = n2 cho phép ánh sáng truyền qua mà không khúc xạ.

Trang 25