Bài giảng Kỹ thuật anten và truyền sóng (Chương 3)

CHƢƠNG 3.
TRUYỀN SÓNG TRONG TẦNG ĐIỆN LY
3.1. Tầng điện ly
3.2. Tần số plasma và tần số tới hạn
3.3. Vận tốc pha và vận tốc nhóm
3.4. Định luật Secant và tần số khả dụng cực đại (MUF)
3.5. Tần số làm việc tối ưu
3.6. Độ cao biểu kiến - cự ly thông tin
3.7. Nhiễu loại Ion và Fading

65


3.1. Tầng điện ly
 Khái niệm: Tầng điện ly là lớp bên trên của bầu khí quyển

(khoảng 60km-600km), nơi chiụ tác dụng của các bức xạ
sóng ngắn (bức xạ tử ngoại, bức xạ Rơn-ghen) của mặt trời
và các bức xạ khác từ vũ trụ, nên chứa nhiều ion và electron
tự do.
 Tùy theo độ cao và mật độ electron tự do, người ta chia tầng
điện ly thành các lớp.
+ Lớp C và D: độ cao biểu kiến 60-80km. Ban đêm lớp C,D gần như
biến mất.
+ Lớp E: độ cao biểu kiến 110km. Ban đêm lớp E gần như biến mất.
+ Lớp F1: độ cao biểu kiến 180km. Ban đêm lớp F1 giảm đáng kể.
+ Lớp F2: độ cao biểu kiến 300km (ban ngày); 350km (ban đêm)
66


3.1. Tầng điện ly

67


3.1. Tầng điện ly

68


3.1. Tầng điện ly

69


3.2. Tần số Plasma và tần số tới hạn
 Trong tầng điện ly, hằng số phi điện của môi trường bị Ion hóa

giảm theo biểu thức:

𝑁. 𝑞𝑒 2
𝜅 = 1−
𝜀𝑜 𝑚𝜔 2

(3.1)

Trong đó: N – mật độ electron, 𝑚−3
m – khối lượng eletron = 9,11.10−31 𝑘𝑔
qe = 1,6.10−19 𝐶
εo = 8,852. 10−12 𝐹/𝑚(hằng số điện mơi)
ω – tần số góc của sóng (rad/s)

70


3.2. Tần số Plasma và tần số tới hạn
 Vận tốc góc của sóng có thể được chọn ở một giá trị để

làm cho κ = 0, tần số này được gọi là tần số Plasma.
 Từ công thức (3.1), ta có:
Tần số góc plasma: 𝜔𝑁 2 =

Tần số Plasma: 𝑓𝑁 = 9 𝑁

𝑁.𝑞𝑒 2
𝜀𝑜 𝑚

(3.2)
(3.3)

Ý nghĩa: khi sóng có tần số fN đi đến vùng có mật độ electron N

thì hằng số phi điện = 0, mật động dịng điện dịch = 0, điện trường
hiệu dụng =0 và thành phần sóng phản xạ triệt tiêu sóng tới tại
điểm phản xạ.
71


3.3. Vận tốc pha – vận tốc nhóm
 Vận tốc pha:

𝑐

𝑣𝑝 =
𝜅
Khi sóng đạt đến độ cao mà κ = 0, vp = ∞. Và năng lượng
sóng truyền theo vận tốc nhóm vg và trong lớp bị Ion hóa
được biểu diễn bởi biểu thức sau:
𝑣𝑝 𝑣𝑔 = 𝑐 2
 Vận tốc nhóm:

𝑐2
𝑣𝑔 =
𝑣𝑝

72


3.4. Định luật secant và tần số khả
dụng cực đại (MUF)
Một tia sóng đi vào lớp điện ly với
góc tới là i, vận tốc pha ở bất kỳ độ
cao nào được xác định dựa vào
định luật Snell cho điều kiện khúc
xạ quang:
𝑠𝑖𝑛𝑖 𝑆𝑖𝑛𝑟
=
𝑐
𝑣𝑝

r – góc khúc xạ tại độ cao có vận tốc vp

Tại vị trí cao nhất, r = 90𝑜 , ta có 𝑣𝑝 =

𝑐
𝑆𝑖𝑛𝑖

73


3.4. Định luật secant và tần số khả
dụng cực đại (MUF)
 Mặt khác ta có: 𝑣𝑝 =

𝑐
𝜅

 Suy ra: 𝜅=sini => 1 −

𝑓2 𝑁
𝑓2

= 𝑠𝑖𝑛2 𝑖

=> 𝑓 = 𝑓𝑁 𝑠𝑒𝑐𝑖 (Định luật Secant)
• Tần số khả dụng cực đại: ứng với độ cao có Nmax khi mà
sóng tới cịn có khả năng phản xạ trở lại mặt đất
MUF = fo seci

74


3.5. Tần số làm việc tối ƣu

 Khi truyền sóng trong tầng điện ly, để nâng cao

hiệu suất truyền sóng và hạn chế suy hao do
những thay đổi bất thường trong tầng điện ly
làm lệch hướng đi của tia sóng ra khỏi lớp này.
Các thí nghiệm thực tế cho thấy chỉ nên dùng
tần số thấp hơn 15% MUF.

75


3.6. Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin
 Thành phân theo phương ngang của

vận tốc nhóm: vh = vg sinr

Và

=> 𝑣𝑔 =
𝑣𝑕 =

𝑐2
𝑣𝑝

2 𝑠𝑖𝑛𝑟
𝑐
𝑣𝑝

Áp dụng đl Snell, suy ra: 𝑣𝑕 =

𝑠𝑖𝑛𝑖
2
𝑐
𝑐

= 𝑐. 𝑠𝑖𝑛𝑖

Ý nghĩa: thành phần theo phương ngang của vận tốc nhóm
phụ thuộc vào góc tới của sóng và khơng phụ thuộc vào độ
cao của lớp ion.
76


3.6. Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin
 Thời gian để sóng đạt đến điểm cao nhất trên đường truyền (điểm

C) là:

𝐴𝐶
𝐴𝐵
𝐴𝐶
=
=
𝑡=
𝑐
𝑣𝑕 𝑐. 𝑠𝑖𝑛𝑖
Như vậy sóng di chuyển theo khoảng cách AB với vận tốc c và thời
gian t.
Độ cao biểu kiến của một lớp h = OB – là độ cao mà ở đó sóng
được xem như phản xả với hằng số vận tốc là c.

• Giả sử mặt đất phẳng và các điều kiện của tầng điện ly đối xứng
cho cả sóng tới và sóng phản xạ, cự ly đường truyền thông tin là:
𝑇𝑅 =

2𝑕
𝑡𝑎𝑛𝛽
77


3.6. Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin
 Khi có tính đến độ cong của trái đất, cự ly thơng tin có thể được

xác định một cách hình học như sau:
𝑠𝑖𝑛𝑖 sin(180 − 𝛼) 𝑠𝑖𝑛𝛼
=
=
𝑎
𝑎+𝑕
𝑎+𝑕

Đồng thời: 180-α = 180 – (i+θ) -> i = α - θ
sin(𝛼 − 𝜃) 𝑠𝑖𝑛𝛼
=
𝑎+𝑕
𝑎

𝜃 = 𝛼 − 𝑠𝑖𝑛

−1

𝑎
𝑠𝑖𝑛𝛼
𝑎+𝑕

Trong đó: β – góc ngẩng

= (90 − 𝛽) − 𝑠𝑖𝑛

−1

𝑎
𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑎+𝑕
78


3.6. Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin
 Cự ly thơng tin (có tính độ cong trái đất):

d = 2aθ = 2𝑎

𝜋
2

− 𝛽 − 𝑠𝑖𝑛

−1

𝑎
𝑐𝑜𝑠𝛽

𝑎+𝑕

Ví dụ: Tính cự ly thơng tin cho q trình truyền sóng trong
tầng điện ly ở lớp có độ cao biểu kiến là 200km. Góc ngẩng
của chùm tia anten là 20𝑜 . Theo 2 trường hợp:
+ Mặt đất phẳng, mơi trường lý tưởng.
+ Có tính đến độ cong trái đất.
Biết a = 6370km
79


3.7. Các nhiễu loạn ion và Fading
 Ở các phần trên, các tính tốn được thực hiện với điều

kiện giả định là mật độ electron thay đổi ổn định và đồng
nhất; có thể dự đốn được các thay đổi theo từng ngày,
từng mùa …
 Tuy nhiên, trong thực tế, tầng điện ly thể hiện tính bất
thường của mật độ electron trong các lớp khác nhau, gây
ra bởi các nhiễu loạn trong quá trình di chuyển trong tầng
điện ly TID (traveling ionspheric disturbances)
 Các nhiễu loạn này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến
q trình truyền sóng trong tầng điện ly
80


3.7. Các nhiễu loạn ion và Fading
 Một số nguyên nhân gây nhiễu loạn ion:

+ Sóng trọng trường mạnh trong bầu khí quyển

+ Các dịng điện và plasma bất thường trong tầng điện ly
+ Các bức xạ mặt trời -> bão từ trường (đặc biệt tại các điểm
vĩ tuyến cao: gần cực từ trường)
+ Lớp E rời rạc (sporadic E) với mật độ electron cao ->
thường cho qua quá trình truyền sóng được chiếu trên lớp E

81


3.7. Các nhiễu loạn ion và Fading
 Các dạng Fading

+ Fading xuyên nhiễu (interference fading): do sự sai pha của
các tia sóng
+ Fading phân cực (polarization fading): xảy ra khi các tia thông
thường và tia bất thường kết hợp cùng pha
+ Fading chọn lựa (selective fading): do bản chất đường đi của
tia sóng trong tầng điện ly sẽ khác nhau với các tần số khác nhau
-> không cần xem xét tất cả các nhiễu loạn -> giới hạn trong dải
hẹp (băng thông 3kHz)

* Ghi chú: Fading là hiện tượng tăng giảm thường xun sự biến đổi cường
độ, đơi khi có tính chu kỳ, của tín hiệu nhận được từ nguồn phát ở xa.

82