Giáo trình Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến - Học viện Kỹ thuật Quân sự

Chia sẻ: Trần Công Khánh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:208

Thêm vào BST

Báo xấu

1.884
lượt xem 627
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến cung cấp cho các bạn những kiến thức về: phân chia dải tần số vô tuyến và đặc tính kênh vô tuyến, đặc tính kỹ thuật của hệ thống thông tin vô tuyến, cơ sở xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống thông tin vô tuyến, bộ tổng hợp tần số, các mạch điều chỉnh và điều chỉnh tự động trong các máy thu phát vô tuyến, ứng dụng kỹ thuật mới trong hệ thống thông tin vô tuyến.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến - Học viện Kỹ thuật Quân sự

Häc viÖn kü thuËt qu©n sù bé m«n th«ng tin - khoa v« tuyÕn ®iÖn tö TrÇn V¨n KhÈn - §ç Quèc Trinh - §inh thÕ C−êng Gi¸o tr×nh c¬ së kü thuËt th«ng tin v« tuyÕn (Dïng cho ®µo t¹o kü s− §iÖn tö - ViÔn th«ng) Hµ néi - 2006
2
Môc lôc 3 Mục lục 7 Ký hiệu, chữ viết tắt 9 Lời nói đầu 11 Chương 1: PHÂN CHIA DẢI TẦN SỐ VÔ TUYẾN VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN 1.1 Phân chia dải tần vô tuyến và ứng dụng cho các mục đích thông tin 11 1.2 Đặc điểm truyền sóng vô tuyến 13 1.2.1 Một số khái niệm cơ bản trong truyền sóng vô tuyến 14 1.2.2 Các tính chất quang học của sóng vô tuyến 16 1.2.3 Các phương thức truyền lan sóng điện từ 18 1.2.4 Một số thuật ngữ và định nghĩa truyền sóng 22 1.2.5 Đặc điểm một số dải sóng vô tuyến 26 1.3 Các đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin 31 1.3.1 Hệ thống thông tin - Kênh thông tin 31 1.3.2 Các tính chất của kênh thông tin vô tuyến 32 1.3.3 Các tính chất thống kê của tín hiệu vô tuyến và nhiễu trong 34 kênh thông tin vô tuyến 1.3.4 Tốc độ truyền tin tức và dung lượng kênh 35 1.3.5 Tính chống nhiễu và tính hiệu quả của các hệ thống thông tin 46 1.3.6 Các đặc trưng tổng quát của hệ thống thông tin 55 1.4 Hệ thống thông tin vô tuyến 56 1.4.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin vô tuyến 56 1.4.2 Phân loại thiết bị thông tin vô tuyến 57 59 Chương 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 2.1 Những đặc tính kỹ thuật chính của hệ thống thông tin vô tuyến 59 2.1.1 Các đặc tính kỹ thuật chung cho máy thu và máy phát 59 2.1.2 Các đặc tính kỹ thuật máy phát 64 2.1.3 Các đặc tính kỹ thuật máy thu 66 2.1.4 Phương pháp hình thành tín hiệu vô tuyến 69 2.2 Cơ sở xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật cho máy thu phát sóng ngắn công 88 suất trung bình 2.2.1 Yêu cầu chung 88 3
2.2.2 Chọn dải tần công tác của máy thu phát 88 2.2.3 Chọn dạng công tác 89 2.2.4 Chọn anten và phương thức điều khiển 89 2.3 Cơ sở xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật cho máy thu phát sóng ngắn công 95 suất nhỏ 2.3.1 Yêu cầu chung 95 2.3.2 Chọn dải tần công tác cho máy thu phát SN/CSN 95 2.3.3 Chọn dạng công tác cơ bản 95 2.3.4 Lập luận chọn phương pháp ổn định tần số 96 2.3.5 Chọn loại an ten cho máy thu phát 97 2.3.6 Phương thức điều khiển 98 2.4 Cơ sở xây dựng chỉ tiêu cho máy thu phát sóng cực ngắn công suất 98 nhỏ 2.4.1 Yêu cầu chung 98 2.4.2 Chọn dải tần công tác cho máy thu phát 99 2.4.3 Chọn dạng công tác 99 2.4.4 Phương pháp ổn định tần số trong máy thu phát SCN/CSN 99 2.4.5 Anten của máy thu phát SCN/CSN 100 2.4.6 Phương thức điều khiển 100 101 Chương 3: CƠ SỞ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 3.1 Cơ sở xây dựng sơ đồ khối cho máy thu phát sóng cực ngắn công 101 suất nhỏ 3.1.1 Máy thu phát cầm tay 101 3.1.2 Máy thu phát SCN/CSN dải rộng 102 3.2 Cơ sở xây dựng sơ đồ khối cho máy thu phát sóng ngắn công suất 110 nhỏ 3.2.1 Sơ đồ tuyến tín hiệu của máy thu phát SN/CSN (dải tần 1,5 ÷ 111 11 MHz) 3.2.2 Sơ đồ máy thu phát SN/CSN làm việc trong dải tần 0,03 ÷ 114 30 MHz 3.3 Cơ sở xây dựng sơ đồ cấu trúc cho máy thu phát sóng ngắn công 119 suất trung bình 125 Chương 4: BỘ TỔNG HỢP TẦN SỐ 4.1 Khái quát chung về các bộ tổng hợp tần số 125 4.1.1 Vị trí và yêu cầu 125 4
4.1.2 Phân loại các phương pháp tổng hợp tần số 126 4.2 Các mạch cơ sở ứng dụng trong các bộ tổng hợp tần số 126 4.2.1 Tổng hợp tần số sử dụng các mạch nhân, chia, cộng và trừ 126 4.2.2 Các hệ thống tinh chỉnh tự động tần số trong các bộ tổng hợp 129 4.3 Các phương pháp tổng hợp tần số 137 4.3.1 Tạo mạng tần số bằng phương pháp tổng hợp trực tiếp 137 4.3.2 Tạo mạng tần số bằng phương pháp tổng hợp gián tiếp 144 4.3.3 Tổng hợp tần số số trực tiếp - DDS 150 157 Chương 5: CÁC MẠCH ĐIỀU CHỈNH VÀ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TRONG CÁC MÁY THU PHÁT VÔ TUYẾN 5.1 Các mạch điều chỉnh và điều chỉnh tự động trong máy thu 157 5.1.1 Điều chỉnh bằng tay và điều chỉnh tự động hệ số khuếch đại 157 5.1.2 Mạch tự động khống chế tạp âm lối ra máy thu khi không có 162 tín hiệu 5.1.3 Điều chỉnh dải thông của máy thu 165 5.2 Các hệ thống điều chỉnh và điều chỉnh tự động trong máy phát 168 5.2.1 Mạch điều chỉnh tự động mức - ALC 168 5.2.2 Cơ sở của hệ thống tự động điều chỉnh phối hợp anten 169 5.2.3 Các hệ thống ĐCTĐ phối hợp anten 175 187 Chương 6: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MỚI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 6.1 Kỹ thuật trải phổ trong thông tin vô tuyến 187 6.1.1 Giới thiệu chung 187 6.1.2 Các ưu điểm của hệ thống thông tin trải phổ 188 6.1.3 Các hệ thống thông tin trải phổ 191 6.2 Tự động thiết lập đường truyền - ALE 195 6.2.1 Tính cấp thiết của ALE 195 6.2.2 Tiêu chuẩn FED-STD-1045 196 6.3 Hệ thống trung kế vô tuyến (Radio Trunking) 198 6.3.1 Đặt vấn đề 198 6.3.2 Các hệ thống trung kế vô tuyến đơn trạm 199 6.3.3 Các hệ thống trung kế vô tuyến vùng rộng 204 209 Tài liệu tham khảo 5
6
KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT ALC (Automatic Level Control) Điều chỉnh tự động mức AGC (Automatic Gain Control) Điều chỉnh tự động khuếch đại (TĐK) ALE (Automatic Link Establishment) Tự động thiết lập đường truyền DDS (Direct Digital Synthesizer) Tổ hợp tần số số trực tiếp PD (Phase Detector) Bộ so pha PTT (Press to Talk, Push to talk) Chuyển phát VCO (Voltage Controlled Oscillator) Dao động điều khiển bằng điện áp CS Chủ sóng CSN Công suất nhỏ CSTB Công suất trung bình ĐCTĐ Điều chỉnh tự động DĐCS Dao động chủ sóng DĐNS Dao động ngoại sai ĐKX Điều khiển xa GĐH Giản đồ hướng KĐ Khuếch đại KĐÂT Khuếch đại âm tần KĐCS Khuếch đại công suất KĐCT Khuếch đại cao tần KĐTT Khuếch đại trung tần NS Ngoại sai PTK Phần tử kháng SD Sóng dài ST Sóng trung SCN Sóng cực ngắn SN Sóng ngắn TĐF Tự động điều chỉnh tần số theo pha TĐT Tự động điều chỉnh tần số THTS Tổng hợp tần số 7
LỜI NÓI ĐẦU Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn. Phương pháp thông tin là: phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ phía phát qua không gian và tách lấy tín hiệu gốc. Về lịch sử của thông tin vô tuyến, vào đầu thế kỷ này Marconi thành công trong việc liên lạc vô tuyến qua Đại Tây dương, Kenelly và Heaviside phát hiện một yếu tố là tầng điện ly hiện diện ở tầng phía trên của khí quyển có thể dùng làm vật phản xạ sóng điện từ. Những yếu tố đó đã mở ra một kỷ nguyên thông tin vô tuyến cao tần đại qui mô. Gần 40 nǎm sau Marconi, thông tin vô tuyến cao tần là phương thức thông tin vô tuyến duy nhất sử dụng phản xạ của tầng đối lưu, nhưng nó hầu như không đáp ứng nổi nhu cầu thông tin ngày càng gia tǎng. Chiến tranh thế giới lần thứ hai là một bước ngoặt trong thông tin vô tuyến. Thông tin tầm nhìn thẳng - lĩnh vực thông tin sử dụng bǎng tần số cực cao (VHF) và đã được nghiên cứu liên tục sau chiến tranh thế giới - đã trở thành hiện thực nhờ sự phát triển các linh kiện điện tử dùng cho HF và UHF, chủ yếu là để phát triển ngành rađa. Với sự gia tǎng không ngừng của lưu lượng truyền thông, tần số của thông tin vô tuyến đã vươn tới các bǎng tần siêu cao (SHF) và cực kỳ cao (EHF). Vào những nǎm 1960, phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh đã được thực hiện và phương pháp chuyển tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lưu của khí quyển đã xuất hiện. Do những đặc tính ưu việt của mình, chẳng hạn như dung lượng lớn, phạm vi thu rộng, hiệu quả kinh tế cao, thông tin vô tuyến được sử dụng rất rộng rãi trong phát thanh truyền hình quảng bá, vô tuyến đạo hàng, hàng không, quân sự, quan sát khí tượng, liên lạc sóng ngắn nghiệp dư, thông tin vệ tinh - vũ trụ...v.v. Tuy nhiên, can nhiễu với lĩnh vực thông tin khác là điều không tránh khỏi, bởi vì thông tin vô tuyến sử dụng chung phần không gian làm môi trường truyền dẫn. Để đối phó với vấn đề này, một loạt các cuộc Hội nghị vô tuyến Quốc tế đã được tổ chức từ nǎm 1906. Tần số vô tuyến hiện nay đã được ấn định theo "Qui chế thông tin vô tuyến (RR)" tại Hội nghị ITU (Internasional Telecommunications Union) ở Geneva nǎm 1959. Sau đó lần lượt là Hội nghị về phân bố lại dải tần số sóng ngắn để sử dụng vào nǎm 1967, Hội nghị về bổ sung qui chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào nǎm 1971, và Hội nghị về phân bố lại tần số vô tuyến của thông tin di động hàng hải cho mục đích kinh doanh 9
vào nǎm 1974. Tại Hội nghị của ITU nǎm 1979, dải tần số vô tuyến phân bố đã được mở rộng từ 9 kHz ÷ 400 GHz và đã xem xét lại và bổ sung cho Qui chế thông tin vô tuyến điện (RR). Để giảm bớt can nhiều của thông tin vô tuyến, ITU tiếp tục nghiên cứu những vấn đề sau đây để bổ sung vào sự sắp xếp chính xác khoảng cách giữa các sóng mang trong Qui chế thông tin vô tuyến: dùng cách che chắn thích hợp trong khi lựa chọn trạm; cải thiện hướng tính của anten; nhận dạng bằng sóng phân cực chéo; tǎng cường độ ghép kênh; chấp nhận sử dụng phương pháp điều chế chống lại can nhiễu... Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác như thông tin di động, vi ba số, cáp quang, thông tin vệ tinh...v.v, thông tin vô tuyến vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng và được phát triển ngày càng hoàn thiện với những công nghệ cao đáp ứng được những đòi hỏi không những về mặt kết cấu mà cả về mặt truyền dẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin... Giáo trình "Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến" được nhóm tác giả biên soạn với mục đích hệ thống những kiến thức về mặt cơ sở xây dựng, lựa chọn các chỉ tiêu kỹ thuật cấu trúc sơ đồ khối và việc ứng dụng các kỹ thuật mới vào việc khai thác, thiết kế các thiết bị và hệ thống thông tin vô tuyến trên các dải tần HF, V-UHF. Giáo trình được xây dựng phục vụ cho công tác đào tạo kỹ sư ngành điện tử viễn thông trong Học viện. 10
Chương 1 PHÂN CHIA DẢI TẦN SỐ VÔ TUYẾN VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN 1.1 PHÂN CHIA DẢI TẦN SỐ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG CHO CÁC MỤC ĐÍCH THÔNG TIN Ta biết rằng thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện từ. Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là các lớp địa chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến. Việc phân kênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số. Một cách tổng quát, phổ tần tổng cộng và miền áp dụng của chúng được chỉ ra trên hình 1-1. Dải tần số r adio Dải sợi quang Viba, Tia Âm Siêu AM TV, Hồng nhi ̀n Tia Tia vệ tinh, Hạ âm ngoại thấy Cực tím Tia X gamma vũ trụ thanh âm radio FM rađ a 104 100 102 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 Tân số ( Hz) ̀ Hình 1-1. Phổ tần số vô tuyến và ứng dụng Phổ này kéo dài từ các tần số dưới âm thanh (subsonic - vài Hz) đến các tia vũ trụ (1022 Hz) và được chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần. Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại được chia ra thành các băng nhỏ hơn, có tên và kí hiệu như bảng 1-1 theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR (Comité Consultatif Internationa des Radiocommunications - International Radio Consultative Committee). Bảng 1-1 Kí hiệu và phân chia băng tần theo CCIR STT Phạm vi tần số Tên gọi 30 Hz ÷ 300 Hz 1. Tần số cực kì thấp (ELF) 0.3 kHz ÷ 3 kHz 2. Tần số thoại (VF) 3 kHz ÷ 30 kHz 3. Tần số rất thấp (VLF) 11
30 kHz ÷ 300 kHz 4. Tần số thấp (LF) 0.3 MHz ÷ 3 MHz 5. Tần số trung bình (MF) 3 MHz ÷ 30 MHz 6. Tần số cao (HF) 30 MHz ÷ 300 MHz 7. Tần số rất cao (VHF) 300 MHz ÷ 3 GHz 8. Tần số cực cao (UHF) 3 GHz ÷ 30 GHz 9. Tần số siêu cao (SHF) 30 GHz ÷ 300 GHz 10. Tần số cực kì cao (EHF) 0.3 THz ÷ 3 THz 11. Hồng ngoại 3 THz ÷ 30 THz 12. Hồng ngoại 30 THz ÷ 300 THz 13. Hồng ngoại 0.3 PHz ÷ 3 PHz 14. Tia nhìn thấy 3 PHz ÷ 30 PHz 15. Tia cực tím 30 PHz ÷ 300 PHz 16. Tia X 0.3 EHz ÷ 3 EHz 17. Tia gamma 3 EHz ÷ 30 EHz 18. Tia vũ trụ 1 THz (terahertz) = 1012 Hz Chú thích: 1 PHz (petahertz) = 1015 Hz 1 EHz (exahertz) = 1018 Hz Các tần số cực kì thấp (ELF - Extremely Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp. Các tần số tiếng nói (VF - Voice Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 300 Hz ÷ 3 kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn. Các tần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 kHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói. Dùng cho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là thông tin dưới nước (giữa các tàu ngầm). Các tần số thấp (LF - Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 kHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không. Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 300 kHz ÷ 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát 12
thanh thương mại sóng trung (535 đến 1605 kHz). Ngoài ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không. Các tần số cao (HF - High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 MHz (thường gọi là sóng ngắn). Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều (two- way) sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá...v.v. Các tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến 216 MHz). Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 300 MHz ÷ 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh truyền hình thương mại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh. Các tần số siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh. Các tần số cực kì cao (EHF - Extremely High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 GHz (còn gọi là sóng mi li mét), ít sử dụng cho thông tin vô tuyến. Các tần số hồng ngoại. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 THz ÷ 300 THz, nói chung không gọi là sóng vô tuyến. Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học. Các ánh sáng nhìn thấy. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz ÷ 3 PHz, dùng trong hệ thống sợi quang. Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ. Rất ít sử dụng cho thông tin. 1.2 ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN Tần số sử dụng cho sóng điện từ như vai trò sóng mang trong thông tin vô tuyến được gọi riêng là "tần số vô tuyến" (RF). Tần số này chiếm một dải rất rộng từ VLF (tần số cực thấp) tới sóng milimet. Mặc dù không gian tự do hàm ý 13
là chân không, sự truyền sóng qua khí quyển trái đất vẫn thường được coi là truyền sóng trong không gian tự do. Sự khác nhau chủ yếu là ở chỗ khí quyển trái đất gây nên các tổn thất đối với tín hiệu, còn trong chân không thì không có tổn thất. Không thể lý giải đầy đủ sóng vô tuyến theo lý thuyết, bởi vì nó không chỉ bị ảnh hưởng bởi tầng đối lưu và tầng điện ly mà còn bởi các thiên thể, kể cả mặt trời. Do vậy, việc đánh giá các trạng thái của các hành tinh của tầng đối lưu và điện ly và việc dự báo đường truyền sóng vô tuyến cũng như khả năng liên lạc dựa trên nhiều dữ liệu trong quá khứ là hết sức quan trọng. Các mục tiếp sau sẽ giúp bạn đọc hiểu được cơ chế truyền sóng vô tuyến theo tần số thông tin vô tuyến cùng những vấn đề khác, liên quan đến sóng vô tuyến. 1.2.1 Một số khái niệm cơ bản trong truyền sóng vô tuyến a. Phân cực của sóng điện từ Phân cực của sóng điện từ phẳng chính là sự định hướng của vectơ điện trường so với bề mặt trái đất. Nếu phân cực giữ nguyên không thay đổi, ta có phân cực tuyến tính. Phân cực ngang (điện trường di chuyển song song với bề mặt trái đất) và phân cực đứng (điện trường chuyển động vuông góc với mặt đất) là 2 dạng phân cực tuyến tính. Nếu vectơ phân cực quay 3600 khi sóng đi qua 1 bước sóng và cường độ trường như nhau tại tất cả các góc phân cực, ta có phân cực tròn. Khi cường độ trường thay đổi theo phân cực, ta có phân cực elip. b. Tia sóng và mặt sóng Các sóng điện từ là không nhìn thấy, vì vậy chúng được phân tích gián tiếp qua khái niệm tia sóng và mặt sóng. Tia sóng là đường đi dọc theo hướng truyền lan của sóng điện từ trong không gian tự do. Mặt sóng là bề mặt có pha của sóng không đổi, được tạo nên khi các điểm có cùng pha trên các tia lan truyền từ cùng nguồn hợp lại với nhau (ABCD như hình 1-2). Nguồn điểm là 1 vị trí từ đó các tia lan truyền như nhau về mọi hướng (nguồn đẳng hướng). B A Ra Rb Nguån H−íng lan truyÒn Rc Rd C D Hình 1-2. Sóng phẳng 14
c. Trở kháng đặc trưng của không gian tự do Trở kháng đặc trưng của không gian tự do được tính: µ0 Zs = , (1.1) ε0 trong đó µ0 là độ từ thẩm của không gian tự do, có giá trị bằng 1,26.10-6 H/m, ε 0 là độ điện thẩm của không gian tự do, có giá trị bằng 8,85.10-12 F/m. Thay vào ta có Z s = 377 Ω . d. Mặt sóng cầu và luật bình phương nghịch Hình 1-3 là nguồn điểm bức xạ công suất với tốc độ không đổi đồng đều theo mọi hướng (gọi là bộ bức xạ đẳng hướng). Bộ bức xạ đẳng hướng tạo ra mặt sóng cầu với bán kính R. Mật độ công suất Pa tại điểm bất kì trên bề mặt sóng cầu là: E2 E2 Prad Pa = = = (1.2) 4π Ra Zs 377 2 trong đó: Prad là tổng công suất bức xạ (W), Ra là khoảng cách từ điểm bất kì trên bề mặt hình cầu đến nguồn. Suy ra cường độ điện trường: 30 Prad E= (1.3) Ra Ta có nhận xét là mật độ công suất tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách đến 2 P ⎛R ⎞ nguồn (luật bình phương nghịch 2 = ⎜ 1 ⎟ ). P ⎝ R2 ⎠ 1 Mặt sóng 2 Tia B Tia A Tia C Nguồ n điểm R1 R2 Mặt sóng 1 Hình 1-3. Mặt sóng cầu từ nguồn đẳng hướng 15
e. Suy hao và hấp thụ sóng Không gian tự do là chân không vì thế không có tổn thất năng lượng khi sóng truyền qua nó. Tuy nhiên, khi các sóng đi qua không gian tự do chúng bị trải ra, dẫn đến giảm mật độ công suất. Hiện tượng này gọi là suy hao và xảy ra trong không gian tự do cũng như trong khí quyển trái đất. Song khí quyển không phải là chân không mà chứa các hạt có thể hấp thụ năng lượng điện từ. Loại giảm công suất này được gọi là tổn hao hấp thụ. Hệ số tổn hao được tính: P γ a = 10 log (1.4) 1 P2 Hấp thụ sóng do khí quyển tương tự với tổn thất công suất I2R. Khi đó, năng lượng bị mất mãi mãi. Suy hao sóng do hấp thụ không phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn bức xạ, mà vào tổng khoảng cách sóng đi qua. 1.2.2 Các tính chất quang học của sóng vô tuyến Các tính chất quang học của sóng vô tuyến bao gồm khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và giao thoa. a. Khúc xạ sóng (refraction) Khúc xạ điện từ là sự thay đổi hướng của tia sóng khi nó đi chếch từ một môi trường sang môi trường khác với tốc độ truyền khác nhau. Tốc độ truyền tỉ lệ nghịch với mật độ của môi trường truyền. Vì vậy, khúc xạ xảy ra bất cứ khi nào sóng đi từ một môi trường sang môi trường khác có mật độ khác (hình 1-4). Pháp tuyến Các tia tới Mặt sóng tới B θ1 Môi trường 1 ít đặc hơn B’ Đường biên A Môi trường 2 đặc hơn Mặt sóng A’ khúc xạ θ2 Hình 1-4. Hiện tượng khúc xạ tại biên giới 2 môi trường 16
Tia A đi vào môi trường 2 trước tia B, do đó tia B lan nhanh hơn tia A (khoảng cách B-B’ dài hơn A-A’). Vì thế, mặt sóng A’B’ bị nghiêng xuống dưới (về phía pháp tuyến). Góc θ1 là góc tới, góc θ 2 là góc khúc xạ. Độ nghiêng của tia phụ thuộc vào chiết suất n = c / v , với v là tốc độ ánh sáng trong chất đã cho. Định luật Snell giải thích phản ứng của sóng điện từ khi gặp đường biên hai chất khác nhau như sau: n1 sin θ1 = n2 sin θ 2 (1.5) sin θ1 n2 ε = = r2 hay: (1.6) sin θ 2 n1 ε r1 ở đây: ε1 , ε 2 là hằng số điện môi của môi trường 1 và 2. b. Phản xạ sóng (reflection) Phản xạ điện từ xảy ra khi sóng tới va đập vào biên của 2 môi trường và 1 phần hoặc toàn bộ công suất tới không đi vào môi trường 2 mà phản xạ lại. Vì sóng phản xạ vẫn ở trong môi trường 1 nên tốc độ của sóng tới và sóng phản xạ bằng nhau. Do đó, góc phản xạ bằng góc tới ( θi = θ r ) (hình 1-5). Hệ số phản xạ được tính như sau: Er e jθr Er j (θr −θi ) Γ= = (1.7) e Ei e jθi Ei trong đó Γ là hệ số phản xạ (không thứ nguyên), Ei = cường độ điện áp tới (vôn), Er = cường độ điện áp phản xạ (vôn), θi , θ r = pha tới và pha phản xạ (độ). θi θr Mặt sóng tới Mặt sóng phản xạ Môi trường 1 Môi trường 2 Hình 1-5. Phản xạ sóng tại biên giới phẳng của 2 môi trường c. Nhiễu xạ sóng (diffraction) 17
Vật chắn Tia phản xạ Vùng bóng râm Me ́p Mặt sóng t ới Sóng con triệt nhau Hình 1-6. Nhiễu xạ sóng điện từ Nhiễu xạ sóng là sự phân bố lại năng lượng trong mặt sóng khi nó đi qua gần mép của vật thể không trong suốt với kích thước so sánh được với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện tượng cho phép sóng vô tuyến đi vòng qua góc (hình 1-6). d. Sự giao thoa sóng (interference) Xảy ra khi 2 hoặc hơn các sóng điện từ kết hợp với nhau sao cho chất lượng hệ thống bị giảm đi. Sự giao thoa sóng tuân theo nguyên lí xếp chồng tuyến tính của các sóng điện từ và xảy ra bất cứ khi nào 2 hoặc nhiều hơn các sóng đồng thời chiếm cùng 1 điểm trong không gian (hình 1-7). Tia A E1 Nguồ n X Et Tia B Tia B θ đã đổ i hướng E2 Bề mặt phản xạ Hình 1-7. Sự cộng tuyến tính 2 sóng có pha khác nhau và sự giao thoa sóng 1.2.3 Các phương thức truyền lan sóng điện từ Các sóng bức xạ từ điểm phát có thể đến được các điểm thu theo những đường khác nhau. Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt quả đất gọi là sóng đất hay sóng bề mặt; các sóng đi tới các lớp riêng biệt của tầng ion và phản xạ lại gọi là sóng điện ly hay sóng trời; và sóng không gian (gồm sóng trực tiếp và sóng 18
phản xạ từ mặt đất) (hình 1-8). Khí quyển Trái đất ̀i rơ t ́ng So Sóng nhi ̀n thẳng (LOS) Anten phát Anten thu Són g pha ̉n x ạ tư ̀ đâ ́t Sóng bề mặt Bề mặt trái đất Hình 1-8. Các phương thức truyền sóng a. Sự truyền lan sóng đất Sóng đất là sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất, do đó còn được gọi là sóng bề mặt. Sóng đất là sóng phân cực đứng bởi vì điện trường trong sóng phân cực ngang sẽ song song với bề mặt trái đất, và các sóng như thế sẽ bị ngắn mạch bởi sự dẫn điện của đất. Thành phần điện trường biến đổi của sóng đất sẽ cảm ứng điện áp trong bề mặt trái đất, tạo ra dòng điện chảy. Bề mặt trái đất cũng có điện trở và các tổn hao điện môi, gây nên sự suy hao sóng đất khi lan truyền. Sóng đất lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chất dẫn điện tốt như nước muối, và truyền kém trên vùng sa mạc khô cằn. Tổn hao sóng đất tăng nhanh theo tần số, vì thế sóng đất nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2 MHz. Sóng đất được dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu thủy và tàu thủy - bờ. Sóng đất được dùng tại các tần số thấp đến 15 kHz. Các nhược điểm của truyền lan sóng đất là: • Sóng đất yêu cầu công suất phát khá cao. • Sóng đất yêu cầu anten kích thước lớn. • Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất. Các ưu điểm là: • Với công suất phát đủ lớn, sóng đất có thể dùng để liên lạc giữa 2 điểm bất kì trên thế giới. • Sóng đất ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điều kiện khí quyển. 19
b. Sự truyền lan sóng không gian Gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất, truyền trong vài kilomet tầng dưới của khí quyển. Sóng trực tiếp lan truyền theo đường thẳng giữa các anten phát và thu, còn gọi sóng nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight). Vì thế, sóng không gian bị hạn chế bởi độ cong của trái đất. Sóng phản xạ từ đất là sóng phản xạ từ bề mặt trái đất khi lan truyền giữa anten phát và thu. Độ cong của trái đất tạo nên chân trời đối với sự truyền lan sóng không gian, thường gọi là chân trời vô tuyến. Do khúc xạ khí quyển, chân trời vô tuyến dài hơn chân trời quang học đối với khí quyển tiêu chuẩn thông thường. Chân trời vô tuyến xấp xỉ bằng 4/3 chân trời quang học. Có thể kéo dài chân trời vô tuyến bằng cách nâng cao anten phát hoặc anten thu (hay cả hai) bằng tháp hoặc đặt trên đỉnh núi (tòa nhà). Hình 1-9 chỉ ra ảnh hưởng của độ cao anten đến chân trời vô tuyến. Chân trời vô tuyến nhìn thẳng đối với một anten bằng: d = 2h (1.8) trong đó: d = khoảng cách đến chân trời vô tuyến (dặm), h = độ cao anten so với mực nước biển (phít). Do đó, khoảng cách giữa anten phát và anten thu là: d = dt + d r = 2ht + 2hr (1.9) trong đó: d là tổng khoảng cách (dặm), dt , d r là chân trời vô tuyến đối với anten phát và anten thu (dặm hoặc kilomet), ht , hr độ cao anten phát và anten thu (phít hoặc mét). Khoảng cách cực đại giữa máy phát và máy thu trên đất trung bình có thể tính gần đúng theo công thức sau (đơn vị mét): d (max) =17 ht + 17 hr (1.10) Như vậy, khoảng cách truyền sóng không gian có thể tăng bằng cách tăng độ cao anten phát, anten thu hoặc cả hai. Tia nhìn thẳng LOS Anten phát Anten thu dt dr ht hr d Hình 1-9. Sóng không gian và chân trời vô tuyến 20
Do các điều kiện ở tầng dưới khí quyển hay thay đổi nên mức độ khúc xạ thay đổi theo thời gian. Trường hợp đặc biệt gọi là truyền lan trong ống sóng xảy ra khi mật độ đạt mức sao cho các sóng điện từ bị bẫy giữa tầng này và bề mặt trái đất. Các lớp khí quyển hoạt động như ống dẫn sóng và các sóng điện từ có thể lan truyền rất xa vòng theo độ cong trái đất và trong ống (hình 1-10). Sãng bÞ bÉy Không khí ấm hơn Hiêu ứng ố ng sóng ̣ Không khí mát hơn Bề mặt trái đất Hình 1-10. Hiện tượng ống sóng c. Sự truyền lan sóng trời Các sóng điện từ có hướng bức xạ cao hơn đường chân trời (tạo thành góc khá lớn so với mặt đất) được gọi là sóng trời. Sóng trời được phản xạ hoặc khúc xạ về trái đất từ tầng điện ly, vì thế còn gọi là sóng điện ly. Tầng điện ly là vùng không gian nằm cách mặt đất chừng 50 km đến 400 km. Tầng này hấp thụ một số lượng lớn năng lượng của tia cực tím và tia X bức xạ của mặt trời, làm ion hóa các phân tử không khí và tạo ra electron tự do. Khi sóng điện từ đi vào tầng điện ly, điện trường của sóng tác động lực lên các electron tự do, làm cho chúng dao động. Khi sóng chuyển động xa trái đất, sự ion hóa tăng, song lại có ít hơn phân tử khí để ion hóa. Do đó, phần trên của khí quyển có số phần trăm phân tử ion hóa cao hơn phần dưới. Mật độ ion càng cao, khúc xạ càng lớn. Nói chung, tầng điện ly được phân chia thành 3 lớp: lớp D, E, và F theo độ cao của nó; lớp F lại được phân chia thành lớp F1, F2 (hình 1-11). Độ cao và mật độ ion hóa của 3 lớp thay đổi theo giờ, mùa và theo chu kì vết đen của mặt trời (11 năm). Tầng điện ly đậm đặc nhất vào ban ngày và mùa hè. Lớp D: là lớp thấp nhất, có độ cao 50 ÷ 100 km và nằm xa mặt trời nhất, do đó có ion hóa ít nhất. Như vậy lớp D ít có ảnh hưởng đến hướng truyền lan sóng vô tuyến. Song các ion ở lớp này có thể hấp thụ đáng kể năng lượng sóng điện từ. Lớp D biến mất về đêm. Lớp này phản xạ sóng VLF và LF, hấp thụ các sóng MF và HF. Lớp E: có độ cao 100 ÷ 140 km, còn gọi là lớp Kennelly - Heaviside theo tên của hai nhà bác học khám phá ra nó. Lớp E có mật độ cực đại tại độ cao 70 dặm vào 21