Bài giảng Kỹ thuật anten và truyền sóng - Chương 3: Truyền sóng trong tầng điện ly - Nguyễn Thị Linh Phương

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật anten và truyền sóng - Chương 3: Truyền sóng trong tầng điện ly - Nguyễn Thị Linh Phương

1. 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
2. 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. 3.1. Tầng điện ly 67
4. 3.1. Tầng điện ly 68
5. 3.1. Tầng điện ly 69
6. 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: 2 . 푞푒 휅 = 1 − 2 (3.1) 휀표 휔 Trong đó: N – mật độ electron, −3 m – khối lượng eletron = 9,11.10−31 −19 qe = 1,6.10 −12 εo = 8,852. 10 퐹/ (hằng số điện môi) ω – tần số góc của sóng (rad/s) 70
7. 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: 2 2 .푞푒 Tần số góc plasma: 휔 = (3.2) 휀표 Tần số Plasma: = 9 (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 dòng điện dịch = 0, điện trường hiệu dụng =0 và thành phần sóng phản xạ triệt tiêu sóng tới tại điểm phản xạ. 71
8. 3.3. Vận tốc pha – vận tốc nhóm  Vận tốc pha: 푣 = 휅 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: 2 푣 푣 =  Vận tốc nhóm: 2 푣 = 푣 72
9. 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: 푠푖푛푖 푆푖푛 = 푣 r – góc khúc xạ tại độ cao có vận tốc vp Tại vị trí cao nhất, r = 90표, ta có 푣 = 푆푖푛푖 73
10. 3.4. Định luật secant và tần số khả dụng cực đại (MUF)  Mặt khác ta có: 푣 = 휅 2  Suy ra: 휅=sini => 1 − = 푠푖푛2푖 2 => = 푠푒 푖 (Định luật Secant) • Tần số khả dụng cực đại: ứng với độ cao có Nmax khi mà sóng tới còn có khả năng phản xạ trở lại mặt đất MUF = fo seci 74
11. 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
12. 3.6. Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin  Thành phân theo phương ngang của vận tốc nhóm: vh = vg sinr 2 => 푣 = 푣 2 푠푖푛 Và 푣푕 = 푣 푠푖푛푖 Áp dụng đl Snell, suy ra: 푣 = 2 = . 푠푖푛푖 푕 Ý nghĩa: thành phần theo phương ngang của vận tốc nhóm phụ thuộc vào góc tới của sóng và không phụ thuộc vào độ cao của lớp ion. 76
13. 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: 푡 = = = 푣푕 . 푠푖푛푖 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: 2푕 푅 = 푡 푛훽 77
14. 3.6. Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin  Khi có tính đến độ cong của trái đất, cự ly thông tin có thể được xác định một cách hình học như sau: 푠푖푛푖 sin (180 − 훼) 푠푖푛훼 = = + 푕 + 푕 Đồng thời: 180-α = 180 – (i+θ) -> i = α - θ sin (훼 − 휃) 푠푖푛훼 = + 푕 휃 = 훼 − 푠푖푛−1 푠푖푛훼 = (90 − 훽) − 푠푖푛−1 표푠훽 +푕 +푕 Trong đó: β – góc ngẩng 78
15. 3.6. Độ cao biểu kiến – cự ly thông tin  Cự ly thông tin (có tính độ cong trái đất): d = 2aθ = 2 − 훽 − 푠푖푛−1 표푠훽 2 +푕 Ví dụ: Tính cự ly thông tin cho quá trình truyền sóng trong tầng điện ly ở lớp có độ cao biểu kiến là 200km. Góc ngẩng của chùm tia anten là 20표. Theo 2 trường hợp: + Mặt đất phẳng, môi trường lý tưởng. + Có tính đến độ cong trái đất. Biết a = 6370km 79
16. 3.7. Các nhiễu loạn ion và Fading  Ở các phần trên, các tính toán được thực hiện với điều kiện giả định là mật độ electron thay đổi ổn định và đồng nhất; có thể dự đoán 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 quá trình truyền sóng trong tầng điện ly 80
17. 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 dòng 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
18. 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 xuyên sự biến đổi cường độ, đôi khi có tính chu kỳ, của tín hiệu nhận được từ nguồn phát ở xa. 82