Bài giảng mônTruyền sóng và Anten

CHƯƠNG 2
TRUYỀN LAN SÓNG
CỰC NGẮN
Bài giảng môn
Truyền sóng và Anten
GV: ThS Đinh Thành Trung
Email:
Mobile: +84912.686.696
Giáo viên: Đinh Thành Trung
2
Chương 2: Truyền lan sóng cực ngắn
NỘI DUNG
2.1. Khái 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 độ mấp mô của mặt đất
2.5. Ảnh hưởng của tầng đối lưu
2.6. Bài tập
Giáo viên: Đinh Thành Trung
3
Chương 2 - Phần 2.1
2.1. Khái quát:
Sóng cực ngắn là những sóng có tần số từ
30MHz - 300GHz (ứng với bước sóng λ<10m).
Chia thành 4 băng:
- Sóng m: λ = 10m-1m; f = 30-300Mhz
- Sóng dm: λ = 1m-10cm; f = 300-3000Mhz
- Sóng cm: λ = 10cm-1cm; f = 3-30Ghz
- Sóng mm: λ < 1cm; f = 30-300Ghz
Giáo viên: Đinh Thành Trung

4
Chương 2 - Phần 2.1
 Phương pháp truyền lan sóng cực ngắn
- Tần số cao nên không thể phản xạ trong tầng
điện ly
- 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
Giáo viên: Đinh Thành Trung
5
Chương 2 - Phần 2.1 - Mục 2.1.1
2.1.1. Tán xạ tầng đối lưu
- Tồn tại các vùng không gian không đồng nhất trong tầng đối
lưu (có các tham số môi trường thay đổi theo thời gian và
không gian)
- Sóng đi vào trong vùng không đồng nhất sẽ bị khuếch tán
theo mọi hướng
- Trong thực tế, phương pháp
thông tin này ít được sử dụng
do độ tin cậy kém, yêu cầu
công suất máy phát lớn và tính
hướng anten (D) cao.
Giáo viên: Đinh Thành Trung
6
Chương 2 - Phần 2.1 - Mục 2.1.2
2.1.2. Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu

- Ở khoảng chiều cao nào đó, nếu chiết suất biến thiên theo
quy luật thì tia sóng đi vào tầng đối lưu sẽ bị
uốn cong với độ cong lớn hơn độ cong quả đất > Hiện
tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu
)
1
(157,0
mdh
dN
−<
Giáo viên: Đinh Thành Trung
7
Chương 2 - Phần 2.1 - Mục 2.1.2
2.1.2. Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu
- Giả thiết
+ tia 3 là tia xuất phát từ ATP -> ATT, có bán kính cong =
độ cong trái đất
+ α
gh
là góc của tia 3 với mặt phẳng nằm ngang
- Nếu α> α
gh
các tia sóng bị khúc xạ ít và xuyên qua miền siêu
khúc xạ (tia 1 và tia 2)
- Nếu α< α
gh
các sóng bị uốn cong trở về mặt đất và phản xạ
nhiều lần để truyền đi xa (nguyên tắc truyền sóng trong
điều kiện này)
- Phương pháp này cũng ít sử dụng vì miền siêu khúc xạ

không ổn định: thay đổi độ cao và chiều dài
Giáo viên: Đinh Thành Trung
8
Chương 2 - Phần 2.1 - Mục 2.1.3
2.1.3. Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp
- Các anten phát và anten thu đặt cao trên mặt đất (ít nhất vài
lần bước sóng) để tránh bị che chắn bởi các vật chắn hay
độ cong của trái đất
- Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của 2
phương pháp trên nên được sử dụng phổ biến.
- Sóng truyền từ ATP-ATT trong miền không gian nhìn thấy
trực tiếp giữa 2 anten
Giáo viên: Đinh Thành Trung
9
Chương 2 - Phần 2.2
2.2. Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp với các
điều kiện lý tưởng

Khảo sát quá trình truyền lan sóng với điều kiện lý tưởng
+ Mặt đất 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 lần bước sóng

Sơ đồ truyền lan sóng
Sóng đến ATT theo 2 đường:
+ Sóng trực tiếp (tia 1)
+ Sóng phản xạ (tia 2): đến
điểm thu sau khi phản xạ
từ mặt đất (chỉ có 1 tia
duy nhất thỏa mãn định

luật phản xạ)
Giáo viên: Đinh Thành Trung
10
Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1
2.2.1. Công thức tính cường độ điện trường - công thức giao thoa

Cường độ điện trường tại điểm thu sẽ là tổng cường độ trường
của tia 1 và tia 2: (2.1)

Cường độ trường do tia 1 truyền tới
(2.2)

Cường độ trường do tia 2 truyền tới
(2.3)
21
EEE
B
+=
( )
)/(.
.245
1)(1
1
mmVe
r
GP
E
tj
km
TkW

ω
=
( )
( )
)/(.
.245
2
2
)(
1
2
mmVe
r
GP
RE
rktj
km
T
kW
∆−
=
ω
Giáo viên: Đinh Thành Trung
11
Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1
2.2.1. Công thức tính cường độ điện trường - công thức giao thoa

Do chiều cao anten h
T
và h

R
<<r nên G
T1
=G
T2
=G
T
và r
1
=r
2
=r, nhưng
khi tính sai pha thì không bỏ qua vì ∆r = r
1
-r
2
≈λ

Cường độ trường do tia 1 truyền tới
(2.4)

Cường độ trường do tia 2 truyền tới
(2.5)

Cường độ trường tổng hợp tại B
(2.6)

( )
)/(.
.245

)(1
1
mmVe
r
GP
E
tj
km
TkW
ω
=
( )
)/(.
.245
2
)(
1
2
mmVe
r
GP
RE
rtj
km
T
kW







∆−−
=
λ
π
θω
( )
)/(.1
.245
2
)(1
21
mmVeeR
r
GP
EEE
tj
rj
km
TkW
ω
λ
π
θ









+=+=






∆+−
Giáo viên: Đinh Thành Trung
12
Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1
2.2.1. Công thức tính cường độ điện trường - công thức giao thoa
hay:
(2.7)
Đặt: β=θ+k∆r: góc sai pha toàn phần
và
viết lại:
(2.8)
 Cường độ trường hiệu dụng tại điểm thu B là:
(2.9)
( )
)/(.
2
cos21 245
)(
2
)(1

mmVe
r
RrRGP
E
tj
km
TkW
ϕω
λ
π
θ
−
+






∆++
=
β
β
ϕ
cos1
sin
R
R
tg
+

=
( )
)/(.
cos21 245
)(
2
)(1
mmVe
r
RRGP
E
tj
km
TkW
ϕω
β
−
++
=
( )
)/(cos21.
.173
2
)(1
mmVRR
r
GP
E
km
TkW

h
++=
β
Giáo viên: Đinh Thành Trung
13
Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1
2.2.1. Công thức tính cường độ điện trường - công thức giao thoa
So sánh với công thức tính cường độ trường hiệu dụng khi có
hệ số suy giảm F ở Chương 1 ta thấy:
(2.10)

RFRRRF
+≤≤−++=
11cos21
2
β
2222
1
)( rhhABr
tr
+−==
222'2
2
)()( rhhABr
tr
++==
( )
1212
2
1

2
2
)( rrrrrr +−=−
( )
2
2
)(
rtrt
hhhh −−+=
)(
2
m
r
hh
r
rt
=∆⇒
Giáo viên: Đinh Thành Trung
14
Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1
2.2.1. Công thức tính cường độ điện trường - công thức giao thoa
Do r>>h
T
và h
R
và góc tới tia phản xạ rất lớn (=90
0
) > do đó có
thể coi R=1 và θ=180
0

. Thay vào (2.10)

(2.11)
 F
max
=2 khi
=>với n=0,1,2 (2.12)






++=∆++=
r
hh
rF
rt
λ
π
λ
π
θ
4
180cos22)
2
cos(22
0







=−=
r
hh
r
hh
rtrt
λ
π
λ
π
2
sin2)
4
cos(22
( )
2
12
2
1
2
sin1
2
sin
π
λ
π

λ
π
λ
π
+=⇔±=






⇔=






n
r
hh
r
hh
r
hh
rtrtrt
)(
)12(
4
max

m
n
hh
r
rt
λ
+
=
Giáo viên: Đinh Thành Trung
15
Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.1
2.2.1. Công thức tính cường độ điện trường - công thức giao thoa
 F
min
=0 khi
=> với n=0,1,2 (2.13)
Thay (2.11) vào (2.9) ta có: Cường độ trường hiệu dụng tại B
(công thức giao thoa):
(2.14)
( )
π
λ
π
λ
π
λ
π
1
2
0

2
sin0
2
sin
+=⇔=






⇔=






n
r
hh
r
hh
r
hh
rtrtrt
)(
)1(
2
min

m
n
hh
r
rt
λ
+
=
( )
)/(
2
sin.
.346
)(1
mmV
r
hh
r
GP
E
rt
km
TkW
h







=
λ
π
Giáo viên: Đinh Thành Trung
16
Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.2
2.2.2. Công thức Vedenski - dạng đơn giản của (2.14)
- Ta biết sinα ≈ α (rad) khi α ≤ 20
0
(π/9) nên:
(2.15)
 Cường độ trường hiệu dụng tại B
(2.16)
9
222
sin
π
λ
π
λ
π
λ
π
≤≈







r
hh
khi
r
hh
r
hh
rtrtrt
λ
λ
tr
tr
hh
rvà
r
hh
18
18
≥≤⇒
)/(
.
17,2
)(
2
)(
)(1
mmV
r
hhGP
E

mkm
trTkW
h
λ
=
Giáo viên: Đinh Thành Trung
17
Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.3
2.2.3. Điều kiện truyền sóng tốt và tốt nhất
Nhắc lại:
 Cường độ trường hiệu dụng tổng hợp của 2 tia
 Cường độ trường hiệu dụng tại điểm thu B chỉ do một tia tới trực
tiếp truyền tới là:
( )
)/(
2
sin.
.346
)(1
mmV
r
hh
r
GP
E
rt
km
TkW
h







=
λ
π
)/(
.173
)(
)(1
mmV
r
GP
E
km
TkW
h
=
Giáo viên: Đinh Thành Trung
18
Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.3
2.2.3. Điều kiện truyền sóng tốt và tốt nhất

"Điều kiện truyền sóng tốt" nghĩa là chỉ có 1TIA trực tiếp TỚI ĐIỂM
THU mà KHÔNG CÓ TIA PHẢN XẠ (TIA 2)
Điều kiện này xảy ra khi và chỉ khi:
(2.17)
 Nhận xét:

Nếu biết khoảng cách giữa các trạm thông tin (r) và bước
sóng cho trước (λ) thì chọn độ cao anten thu và anten
phát thỏa mãn điều kiện (2.17) thì tia phản xạ sẽ không
còn tác dụng ảnh hưởng tới chất lượng thu tín hiệu tại B.
126
2
2
12
sin
r
hh
r
hh
r
hh
rt
rtrt
λπ
λ
π
λ
π
=⇔=⇔=






Giáo viên: Đinh Thành Trung

19
Chương 2 - Phần 2.2 - Mục 2.2.3
2.2.3. Điều kiện truyền sóng tốt và tốt nhất

"Điều kiện truyền sóng tốt nhất" nghĩa là không những chỉ có
1TIA trực tiếp TỚI ĐIỂM THU mà KHÔNG CÓ TIA PHẢN XẠ
(TIA 2) mà CƯỜNG ĐỘ TRƯỜNG còn TĂNG GẤP ĐÔI
Điều kiện này xảy ra khi và chỉ khi:
(2.18)
 Nhận xét:
Nếu biết khoảng cách giữa các trạm thông tin (r) và
bước sóng cho trước (λ) thì chọn độ cao anten thu và
anten phát thỏa mãn điều kiện (2.18) thì không những
tia phản xạ sẽ không còn tác dụng mà cường độ trường
được tăng gấp đôi tại điểm thu B.
42
2
1
2
sin
r
hh
r
hh
r
hh
rt
rtrt
λπ
λ

π
λ
π
=⇔=⇔=






Giáo viên: Đinh Thành Trung
20
Chương 2 - Phần 2.3
2.3. Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi tính
đến độ cong của trái đất

Khảo sát quá trình truyền lan sóng khi có độ cong của trái đất
+ Hiệu số đường đi giữa tia 1 và tia 2 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 phát

Sơ đồ truyền lan sóng
a: bán kính trái đất
h
t
: độ cao anten phát so với
mặt đất
h
r
: độ cao anten thu so với

mặt đất
Giáo viên: Đinh Thành Trung
21
Chương 2 - Phần 2.3 - Mục 2.3.1
2.3.1. Công thức tính cự ly nhìn thấy trực tiếp
Cự ly nhìn thấy trực tiếp r
0
: là cự ly lớn nhất có thể nhìn thấy
được với anten có độ cao h
t
,h
r
(độ dài của đường thẳng nối giữa
2 anten và tiếp tuyến với mặt đất)
do đó
thay a=6370km và biểu thị r
0
(km), h
t
,h
r
(m)
r
0
=AC+CB
( ) ( )
ahhahhaahaAC
ttttt
<<≈+=−+=
.2.2

22
2
( ) ( )
ahhahhaahaCB
rrrrr
<<≈+=−+=
.2.2
22
2
( )
)(.2
0
mhhar
rt
+=
( )
)(.57,3
)()(0
kmhhr
mrmt
+=
(2.19)
(2.20)
Giáo viên: Đinh Thành Trung
22
Chương 2 - Phần 2.3 - Mục 2.3.2
2.3.2. Công thức tính cường độ điện trường
 Quá trình truyền sóng ở cự ly nhỏ hơn cự ly nhìn thấy trực
tiếp A
1

B
1
.
- 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)
)21.2(
''
rtrt
hhmhh
=
)22.2()(
2
m
r
hhm
r
rt
=∆
)23.2(
.
4
r
hhm
F

rt
λ
π
=
)24.2()/(
.
17,2
)(
2
)(
)()()(1
mmV
r
hhmGP
E
mkm
mtmrTkW
h
λ
=
Giáo viên: Đinh Thành Trung
23
Chương 2 - Phần 2.4
2.4. Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp khi tính
đến độ mấp mô (gồ ghề) của mặt đất
Thực tế mặt đất không bằng phẳng → sóng phản xạ mặt đất có tính chất
tán xạ → ảnh hưởng lớn đến E tại điểm thu ⇒ cần thiết phải xác định
sự mấp mô của bề mặt
Với: (2.25) (h: độ cao của mặt đất phẳng giả định so
với mặt đất thực;

θ
: góc tới tại điểm phản xạ) thì sự phản xạ sóng không
có tính tán xạ → mặt đất được coi là bằng phẳng.
( )
h m
8sin
λ
<
θ
Giáo viên: Đinh Thành Trung
24
Chương 2 - Phần 2.5
2.5. Ảnh hưởng của tầng đối lưu
Chiết suất n của tầng đối lưu chỉ lớn hơn 1 rất ít, do đó
trong tính toán để đảm bảo độ chính xác cao ta sử dụng chỉ
số chiết suất N=10
6
(n-1) (2.26)
Tầng đối lưu không đồng nhất, các thông số thay đổi
theo không gian và thời gian  chiết suất thay đổi
Tốc độ thay đổi chỉ số chiết suất theo độ cao ảnh hưởng
tới quá trình sóng truyền lan: Quỹ đạo sóng bị cong do hiện
tượng khúc xạ: Hiện tượng khúc xạ khí quyển
Giáo viên: Đinh Thành Trung
25
Chương 2 - Phần 2.5 - Mục 2.5.1
2.5.1. Hệ số điện môi và chiết suất tầng đối lưu
a. Hệ số điện môi của không khí ≈ ε
o
, phụ thuộc áp suất, nhiệt độ và

độ ẩm của không khí
trong đó: T: nhiệt độ mặt đất
P: Áp suất mặt đất
P
h
: Áp suất tại độ cao h
b. Chiết suất của môi trường:
từ (2.26) và (2.28) ta có:
)27.2(10.
.4810
156
1
6'
−












++=
T
P
P

T
h
ε
)28.2(10.
.481078
1
2
1
1
6
'
−












++=
−
+=
T
P
P

T
nhayn
h
ε
)29.2(
.481078






+=
T
P
P
T
N
h
⇒
2
10.4
−
−≈
dh
dN
: tầng đối lưu tiêu chuẩn