Truyền lan sóng cực ngắn

20
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

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


21
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 th
ức tán xạ tầng đối lưu được vẽ ở hình 2.1










Giả sử anten phát đặt tại A, giản đồ tính hướng của nó được giới hạn bởi hai đường AC và

AC
1
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 cụ
c
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
,
dh
<−0157
(1/m) thì tia sóng đi vào tầng đối lưu sẽ bị uốn cong với độ cong lớn hơn độ cong
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 h
0
, đồng thời ở độ cao lớn hơn
h
0
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 α
th

là góc giới hạn
mà khi sóng xuất phát theo góc đó sẽ bị uốn cong theo đường giới hạn ở độ cao h
0
(bán kính cong
của tia sóng bằng bán kính trái đất, tia 3). Tất cả các tia có góc xuất phát α < α
th
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.
Lợi dụng tính chất trên của miền siêu khúc xạ để truyền lan sóng cực ngắn đi xa. Tuy
nhiên miề
n siêu khúc xạ xảy ra bất thường, độ cao và chiều dài của miền siêu khúc xạ cũng luôn
A
B
C
C
D
V
Hình 2.1. Sự khuếch tán sóng trong tầng đối lưu


22
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.

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.









Phần du
ới 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
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.
1
2
3
4
5
4’
5’
α
4

α
gh

h
0
A
Hình 2.3. Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp


23

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 tho
ả 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 h
t
, h
r
. 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:


()
()
T
TkW
jt
km
E
PG
e

r
ω
=
1
1
1
245
(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 :


()
()
()
T
TkW
jtkr
km
E
PG
Re
r
ω −Δ
=
2
2
2
245

(mV/m) (2.2)

Trong đó:
- r
1
: đoạn đường đi của tia tới trực tiếp, bằng AB trên hình
- r
2
: 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 = r
1
-r
2

- k : hệ số sóng bằng 2π/λ
Tia 2
Tia 1
C
B
A
h
t
h
r
r
Hình 2.4. Mô hình truyền sóng trong điều kiện lý tưởng



24

-
R
: Hệ số phản xạ phức từ mặt đất:
j
RRe
− θ
=
, R là mô đun, θ góc pha phụ thuộc vào loại
đất tại điểm phản xạ và phân cực của sóng. Các giá trị này thường được tính sẵn bằng
bảng hoặc đồ thị.
- G
T1
và G
T2
là hệ số khuếch đại của anten phát theo hướng tia trực tiếp và tia phản xạ
Trong công thức hệ số G ở hướng tia tới và tia phản xạ coi như bằng nhau và bằng G
T
, vì
trong thực tế một tuyến vi ba bao giờ cũng thoả mãn điều kiện độ cao anten h
t
, h
r
<< r, bởi
vậy phương bức xạ của tia 1 và 2 gần như trùng nhau.
Cũng vì r >> h
t
, h
r
nên có thể coi r
1

≈ r
2
≈ r, ở phần biên độ. Nhưng vì bước sóng công tác
ở giải sóng vi ba rất bé, góc sai pha do đường đi khác nhau giữa tia trực tiếp và tia phản xạ lại
không thể bỏ qua được vì λ ≈ Δr, thay các điều kiện trên vào các công thức (2.1) và (2.2) ta sẽ
nhận được:

()
()
T
TkW
jt
km
E
PG
e
r
ω
=
1
245
(mV/m) (2.3)
Cường độ điện trường của tia phản xạ sẽ là :


()
()
jt r
T
TkW

km
E
PG
Re
r
π
⎛⎞
ω−θ−Δ
⎜⎟
λ
⎝⎠
=
2
2
245
(mV/m) (2.4)
Cường độ điện trường tổng hợp tại B bằng:


()
()
jr
T
TkW
jt
km
EE E
PG
R.e e
r

π
⎛⎞
−θ+Δ
⎜⎟
ω
λ
⎝⎠
=
⎡ ⎤
⎢ ⎥
+= +
⎢ ⎥
⎣ ⎦
2
12
245
1
(mV/m) (2.5)
hay

()
()
()
()
T
TkW
jt
km
E
PG Rcos r/ R

e
r
ω −ϕ
+θ+Δπλ+
=
2
245 1 2 2
(mV/m) (2.6)
Trong đó: θ+Δr2π/λ góc sai pha toàn phần.

( )
()
Rsin r /
tg
Rcos r /
θ +Δ π λ
ϕ=
+θ+Δπλ
2
12

Giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường tại B được xác định theo công thức:


()
()
()
T
TkW
h

km
E
PG Rcos r/ R
r
+θ+Δπλ+
=
2
173 1 2 2
(mV/m) (2.7)
Công thức trên được gọi là công thức giao thoa, để xác định cường độ trường tại điểm thu
khi sóng truyền lan trên mặt đất phẳng và anten đặt cao so với mặt đất.
So sánh (2.7) với công thức (1.18) của truyền lan sóng trong không gian tự do, trong
trường hợp sóng truyền trên mặt đất phẳng có hệ số suy giảm F bằng:




25

()
FRcosr/R=+ θ+Δπλ+
2
12 2
(2.8)
F biểu hiện cho ảnh hưởng của mặt đất phẳng lên quá trình truyền lan sóng không gian ở
cự ly nhìn thấy trưc tiếp trực tiếp, khi anten đặt cao trên mặt đất. Chú ý rằng thuật ngữ hệ số suy
giảm ở đây chỉ có ý nghĩa tương đối và có điều kiện, bởi vì giá trị cực đại của F có thể lớn hơn 1.
Trong công thức R là modun hệ số phản xạ và θ là góc sai pha khi ph
ản xạ, chúng phụ thuộc vào
góc tới, tính chất của đất và sự phân cực của sóng. Các giá trị này thường được tính sẵn theo bảng

hay đồ thị.
Hiệu đường đi của tia phản xạ từ mặt đất và tia tới trực tiếp được xác định theo phương
pháp hình học.














()
()
/
rt r trt
rt
/
'
tr t trr
tr
tr
hh h hhh
rAB hh r r r
rr

hh h hhh
rAB hh r r r
rr
hh
rr r
r
⎡⎤
−−+
⎛⎞
== − +=− ≈+
⎢⎥
⎜⎟
⎝⎠
⎢⎥
⎣⎦
⎡⎤
+ ++
⎛⎞
== ++=+ ≈+
⎢⎥
⎜⎟
⎝⎠
⎢⎥
⎣⎦
Δ= − ≈
12
2
22
2
2

1
12
2
22
2
2
2
21
2
1
2
2
1
2
2
(2.9)
Các công thức trên chưa tính đến yếu tố phân cực, hoặc nói chính xác hơn chỉ đúng với
sóng có phân cực ngang, lúc đó vectơ cương độ trường của tia tới và vectơ cường độ trường của
tia phản xạ là cùng phương.
Nếu sóng có phân cực thẳng đứng (hình 2.6) thì lúc đó vectơ
1
E
vuông góc với tia AB còn
vectơ
2
E
vuông góc với tia CB, như vậy chúng sẽ có phương kkhác nhau. Tính toán chính xác
trong trường hợp này theo tổng hợp vectơ
1
E

và
2
E
với góc lệch tương ứng giữa chúng có giá trị
gần đúng là
tr
hh
r
−
α≈
. Trường tổng hợp có thể xem cùng phương với trục đứng.

B
B
’
h
r
-h
t
Tia 2
Tia 1
C
A
h
t
h
r
Hình 2.5. Xác định hiệu số đường đi Δr

h

r
+h
t
r

h
r


26










Như vậy, nếu sóng phân cực ngang thì trường tổng hợp sẽ là phân cực ngang và nếu sóng phân
cực đứng thì trường tổng hợp có thể xem là phân cực đứng.
Thay giá trị của Δr ở công thức (2.9) vào công thức (2.8) ta có

tr
hh
FRcos R
r
π
⎛⎞

=+ θ+ +
⎜⎟
λ
⎝⎠
2
4
12
(2.10)
Ví dụ 2.1.
Xác định hệ số suy giảm và cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm thu khi đường
truyền có các thông số sau: công suất phát 15W, bước sóng truyền lan là 35cm, hệ số khuếch đại
của anten phát là 200, chiều cao anten phát là 80m, chiều cao anten thu là 20m, cự ly đường
truyền là 8km. Biết khi sóng phân cực ngang R = 0,91 và θ = 180
0
và khi sóng phân cực đứng R =
0,68 và θ = 180
0

Giải
Theo công thức (2.9) hiệu số quãng đường đi là

tr
hh . .
r,
r
Δ= = =
228020
04
8000
(m)

Thay các giá trị vào công thức (2.10) tìm được
Khi sóng phân cực ngang:
F = 0,83 hay F = 20 lg 0,83 = -1,6 (dB)
Khi sóng phân cực đứng:
F = 0,783 hay F = 20 lg 0,712 = -2,1 (dB)
Theo công thức (2.7) giá trị cường độ trường tại điểm thu sẽ là:
Khi sóng phân cực ngang:

h
E
..
., ,
−
==
3
173 15 10 200
083 311
8
(mV/m)
Khi sóng phân cực đứng:

h
E
..
., ,
−
==
3
173 15 10 200
0783 293

8
(mV/m)

2.3.2 Các dạng đơn giản của công thức giao thoa
Hình 2.6. Vectơ E
1
và E
2
trong trường hợp sóng phân cực thẳng đứng
α
α

E
2
E
1
B
Tia 2
Tia 1
C
A
h
t
h
r


27
Trong thực tế độ cao của anten phát và thu nhỏ hơn rất nhiều so với khoảng cách giữa
chúng nên góc nghiêng δ của tia phản xạ từ mặt đất sẽ nhỏ đến mức có thể xem R = 1 và θ = 180

0
.
Thay vào các công thức (2.6) và (2.8) và biến đổi ta sẽ nhận được


()
tr
rhh
Fcosr/ sin sin
r
πΔ π
⎛⎞ ⎛ ⎞
=+ θ+Δπλ+= =
⎜⎟ ⎜ ⎟
λλ
⎝⎠ ⎝ ⎠
2
12 2 1 2 2
(2.11)
Và

()
()
() ()
() ()
T
TkW
tm rm
h
km m m

E
PG
hh
sin
rr
⎛⎞
π
=
⎜⎟
⎜⎟
λ
⎝⎠
346
2
(mV/m) (2.12)
Công thức (2.12) có thể đơn giản hơn được nữa nếu đạt được điều kiện

tr
hh
r
π π
≤
λ
2
9

Hay
tr
r
hh

λ
≤
18

Khi ấy có thể thay thế gần đúng

tr tr
hh hh
sin
rr
ππ
≈
λλ
22

Lúc này công thức giao thoa có dạng đơn giản nhất


() () ()
()()
T
TkW tm rm
h
km m
E
,PGhh
r
=
λ
2

217
(mV/m) (2.13)
Công thức (2.13) do Vêdenski đưa ra năm 1922 nên được gọi là công thức Vêdenski.
Ví dụ 2.2.
Xác định hệ số suy giảm và cường độ trường tại điểm đặt anten thu với các thông số
sau: công suất phát 50 W, bước sóng 10 cm, hệ số khuếch đại của anten phát là 60; chiều cao của
anten phát và anten thu lần lượt là 25m và 10m; khoảng cách giữa hai anten là 10km, R = 1 và θ =
180
0
.
Giải: Hệ số suy giảm được xác định theo công thức (2.11)

tr
hh . .
F sin sin sin
r
,.
ππ
⎛⎞
= ===
⎜⎟
λ
⎝⎠
0
4
2 2 25 10
222902
0110

Như vậy, hệ số suy giảm ở đây không đúng như tên gọi, mà trường tổng hợp tại điểm thu sẽ tăng

lên gấp hai lần.
Cường độ điện trường tại điểm thu được các định theo (2.12)

h
E
..
sin
−
==
3
0
346 50 10 60
90 60
10
(mV/m)
Ví dụ 2.3
Như ví dụ 2.2 nhưng bước sóng bằng 1m.
Giải: Ta có
tr
hh .==25 10 250
(m
2
) và
r/λ =18 555
m
2
nghĩa là thỏa mãn điều kiện
tr
r
hh

λ
≤
18
nên
cường độ trường được tính theo công thức (2.13)


28

h
E
,....
,
−
==
3
2
217 5010 602510
94
10
(mV/m)

2.3.3 Điều kiện truyền sóng tốt nhất

Qua việc khảo sát công thức giao thoa ở trên ta thấy tia phản xạ từ mặt đất thường là gây
tác dụng xấu, làm giảm cường độ trường tại điểm thu. Nếu chọn quan hệ giữa các thông số của
đường thông tin một cách thích đáng, có thể làm cho tia phản xạ hoặc sẽ không gây tác dụng xấu
làm yếu trường hoặc sẽ tăng thên cường độ trường tại điểm thu.
Giá trị hi
ệu dụng cường độ trường của tia tới trực tiếp được xác định bởi biểu thức

()
()
T
TkW
h
km
E
PG
r
=
1
173
(mV/m) (2.14)
Trong khi đó, giá trị hiệu dụng cường độ trường tổng ở điểm thu được xác định bởi


()
()
() ()
() ()
T
TkW
tm rm
h
km m m
E
PG
hh

sin
rr
⎛⎞
π
=
⎜⎟
⎜⎟
λ
⎝⎠
346
2
(mV/m) (2.15)

Trường tổng sẽ bằng trường của tia tới trực tiếp khi thực hiện đẳng thức:

tr
hh
sin ,
r
π
=
λ
2
05

Từ đó nhận được
tr
r
hh
12

λ
=
(2.16)
Biểu thức này chứng tỏ rằng, với khoảng cách giữa các trạm thông tin và bước sóng cho
trước, nếu chọn độ cao anten thích hợp sao cho đẳng thức (2.16) được thỏa mãn thì tia phản xạ từ
mặt đất sẽ không gây tác dụng làm yếu trường của tia tới trực tiếp. Về mặt ý nghĩa vật lý, điều này
có thể giải thích là trong trường hợp trên góc lệch pha do hiệu số đường đi giữa hai tia b
ằng 60
0
,
thêm vào đó là góc chậm pha 180
0
khi sóng phản xạ từ mặt đất nên giữa các vec tơ E
1
và E
2
sẽ có
góc lệch pha chung 240
0
. Do vậy độ lớn của véc tơ tổng bằng độ lớn của các véc tơ thành phần
(hình 2.7).
Nếu chọn quan hệ giữa các thông số của một
đường thông tin như thế nào để thực hiện được đẳng
thức

tr
hh
sin
r
π

=
λ
2
1

Hay
tr
r
hh
λ
=
4
(2.17)


E
1
E

E
2
180
0
60
0
Hình 2.7