Bài giảng Truyền sóng và anten

ầng ion, do đó cần truyền qua 2 bước, mỗi bước 2100 mi Æ 
h’ = 167,5 km Æ dùng phản xạ từ lớp F1 và F2 và tia bức xạ có góc ngẩng khác 0. 
- Giả thiết chiều cao ảo là 300 km 
- Từ hệ (4.10) và (4.11) => iψ = 74,44o
 góc ngẩng = 4,16o 
Æ anten phát cần có hướng bức xạ cực đại làm 1 góc 4.16o so với mặt đất 
-Lớp F với điều kiện ban ngày có N = 5x1011/m3 Æ tần số giới hạn fc=6,36 MHz 
Æ tần số khả dụng cực đại: 
 fmax = 11,06 MHz 
Æ hoạt động trong dải SW – 31m (9,2 - 9,7MHz) có thể chấp nhận được. 
* Trong thực tế cần chú ý sự khác biệt về thời gian (giờ địa phương) giữa 2 điểm 
phản xạ và thời gian trong năm. Nói chung, căn cứ vào số liệu thống kê để thay đổi 
 29
tần số hoạt động theo thời gian trong ngày. Tần số khả dĩ cao nhất cần làm tối thiểu 
hoá suy hao và cần chọn < 15% dưới mức tần số khả dụng cực đại. 
 __________________________________ 
§ 4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 
- Ảnh hưởng của từ trừờng có thể bỏ qua ở tần số trên 10 MHz, nhưng cần được 
tính đến khi tần số nhỏ hơn 5 MHz. 
- Từ trường làm cho tầng ion trở nên bất đẳng hướng và hằng số điện môi phải 
được biểu diễn dưới dạng ma trận. 
- Có 2 mode truyền sóng khác nhau: thường và dị thường. Sóng phẳng đến tầng ion 
sẽ tách thành 2 mode truyền và khi ra khỏi tầng ion chúng sẽ tái hợp trở lại thành 1 
mode đơn. Tuy nhiên mặt phân cực thường bị thay đổi, gọi là hiện tượng quay 
Faraday. 
- hiện tượng quay Faraday gây tổn hao công suất tín hiệu tại anten thu do mất phối 
hợp phân cực. 
- Một điện tử tự do chuyển động với vận tốc v sẽ quay hay chuyển động trên 1 quỹ 
đạo tròn dưới tác dụng của từ trường tĩnh B0 với tần số góc: 
 ωc = eB0/m (1) 
Từ trường trái đất ≈ 5 x 10-5 Wb/m2 Æ ωc ≈ 8,83 x 106 và fc ≈ 1,4 MHz 
- Từ lực Lorentz và quan hệ H ~ Y0E Æ bỏ qua lực tác dụng của H so với E. 
Nếu tính tới cả lực hãm do va chạm thì mật độ dòng điện tử là: 
 (jω + ν)J + ωcJ x az = ωp2ε0E 
=> Sự có mặt của từ trường làm cho độ dẫn điện trở thành một tensor σ^. Dùng 
biểu diễn cặp vector đơn vị, có thể viết lại: 
 J = σ^E 
Thay vào phương trình Maxwell II => hằng số điện môi cho plasma tầng ion hóa 
có dạng tensor: 
 κ^ = I^ + σ^/jωε0 (10) 
với I^ là tổ hợp các cặp vector đơn vị 
 30
- Lời giải cho sóng phẳng lan truyền trong một tầng điện môi đồng nhất có thể 
được tìm khi dùng phương trình Maxwell và tensor hằng số điện môi. 
* Quay Faraday: Xét một lớp trong tầng điện ly có chiều dày l (m), dọc theo trục z. 
Phân tích sóng phẳng tới thành 2 sóng phân cực tròn, quay phai và quay trái. 
- Sóng đến đi vào tầng điện ly tại z = 0 và lan truyền như 2 sóng phân cực tròn với 
hằng số lan truyền khác nhau. 
-Khi sóng thoát ra khỏi lớp l, nếu bỏ qua phản xạ tại biên của lớp thì sóng ra lại có 
dạng phân cực thẳng nhưng hướng phân cực quay 1 góc Φ so với trục x: 
 tgΦ = tg[(k2 – k1)l/2] 
- Hiện tượng quay Faraday xảy ra mạnh khi ω gần ωc vì lúc đó k1 và k2 rất khác 
nhau. 
- Ở tần số cao k1 và k2 có giá trị gần nhau nên Φ nhỏ. 
 31
CHƯƠNG V 
TRUYỀN SÓNG DẢI MICROWAVE VÀ MLLIMETER-WAVE 
§5.1 SUY HAO DO MƯA 
1/Gới thiệu 
-Dải tần số microwave và millimeter: 
-Sóng xuyên qua tầng điệnn ly vì ω >> tần số plasma ωp. 
Æcó hiện tượng giao thoa do phản xạ từ mặt đất, nhưng ảnh hưởng không lớn như 
ở tần số thấp vì độ ghồ ghề của mặt đất lớn hơn nhiều so với bước sóng. 
ÆNếu tại điểm phản xạ mặt đất là phẳng hoặc là mặt nước thì hiện tượng giao thoa 
có thể mạnh và tạo ra kiểu bức xạ búp với các búp sóng gần nhau (các búp sóng trời) 
*Suy hao đáng kể là suy hao do mưa (với các sóng cóλ cỡ vài cm hoặc nhỏ hơn)và 
do tuyết. 
*Với các sóng có λ cỡ mm, suy hao chủ yếu do sương mù, hơi nước và các khí 
khác trong khí quyển. 
2/ Suy hao do mưa: 
- Do sự hấp thụ công suất trong môi trường tổn hao điện môi 
- Do sự tán xạ năng lượng ra khỏi chùm tia, thường nhỏ hơn tổn hao do hấp thụ . 
* Xét hạt mưa hình cầu bán kính a <<λ ocủa sóng mặt: 
Hằng số điện môi phức: 
 κ = κ’ – jκ’’
Điện trường sóng tới lan truyền theo trục x: 
 Ei = E0az exp(-jk0x) 
Vector phân cực điện môi trong giọt mưa hình cầu: 
 P = 3(κ – 1)/(κ + 2)ε0E0az
=> Moment lưỡng cực của giọt mưa: 
 P0 = (4/3)πa33(κ – 1)/(κ + 2)ε0E0az
- Trường tán xạ vùng xa của giọt mưa (tương đương phần tử dòng Idl = jωP0): Es 
 32
=> Công suất tán xạ toàn phần: 
 Ps = (ω2k02Z0 /12π)|P0|2
hay: Ps = (4/3)πa2(k0a)4Y0|E0|2|(κ – 1)/(κ + 2)|2
còn gọi là công suất tán xạ tần số thấp, hay tán xạ Rayleigh 
* Tiết diện tán xạ σs được định nghĩa = công suất tán xạ toàn phần / mật độ công 
suất sóng đến trên đơn vị diện tích 
* Tiết dịên tán xạ ngược radar σBS được định nghĩa sao cho nếu tán xạ là đẳng 
hướng thì công suất tán xạ ngược /đvị diện tích =công suất tới. Có thể chứng minh 
được: 
 σBS = (3/2)σs
- Tiết diện hấp thụ σa: được tính từ tích phân qua thể tích hình cầu bán kính a của 
công suất gây bởi dòng phân cực Jp = jωP do tương tác với điện trường E: Pa
 => tiết diện hấp thụ: 
 = Pa / (Pinc / đvị diện tích) 
 = 12 πa2(k0a) |(κ – 1)/(κ + 2)|2{κ’’/ [(κ’ – 1)2 + κ’’2]} 
- Tiết diện hủy (extinction): 
 σe = σs + σa
- Công suất mất mát toàn bộ của sóng đến: 
 Ploss = σe x (Pinc / đvị diện tích) 
- Khi sóng điện từ truyền qua đám mưa, cần tính tới phân bố kích thước hạt mưa vì 
σe phụ thuộc mạnh vào bán kính hạt mưa. 
ÆSuy hao do mưa phụ thuộc: 
 + tiết diện huỷ của mổi giọt mưa 
 + phân bố kích thước giọt mưa 
 + tốc độ mưa R 
- Quy dịnh tốc độ mưa: + Mưa phùn nhẹ R=0,25 mm/h 
 + Mưa nhẹ R=1mm/h 
 + Mưa vừa R=4 mm/h 
 33
 + Mưa nặng R=16 mm/h 
- Phân bố kích thước hạt mưa phụ thuộc tốc độ mưa: 
 + Mưa nặng hạt Æcông thức marshal_palmer 
 + Trong viễn thông thường sử dụng công thức đơn giản hơn: 
 A = aRb (dB/km) 
 + Công thức Olsen – Rodgers - Hodge: 
*Nhận xét: 
 + Ở tần số < 10 GHz suy hao do mưa tương đối thấp 
 + Suy hao do mưa tăng nhanh theo tần số 
* Vìkhoảng cách thông tin point_to_point tiêu biểu là 20_30km nên tốc độ suy hao 
1dB/km có thể dẫn đến suy giảm mạnh cường độ tín hiệu Æ phải khắc phục nhờ 
tăng độ lợi hoặc công suất phát của anten Æ khá tốn kém khi cần tăng 1000 lần 
≥
 ______________________________________________ 
§5.2 SUY HAO DO SƯƠNG MÙ 
- Tuân theo các phưong trình tương tự như suy hao do mưa 
- Khác biệt chính do kích thước hạt rất nhỏ, bán kính cỡ từ 0,01Æ0,05mm 
- Với tần số < 300 GHz suy hao do sương mù tỷ lệ với mật độ nước /đvị thể tích 
- Giới hạn trên của mật độ nước là 1g/m3 
- Mật độ 0,032 g/m3 ứng với tầm nhìn xa khoảng 2000ft 
- Mật độ 0,32 g/m3 ứng với tầm nhìn xa khoảng 400ft 
*Ở tần số 300GHz suy hao trong sương mù có mật độ cao xấp xỉ 1dB/km 
 ===================================================== 
 34
§5.3 SUY HAO DO TUYẾT VÀ ĐÁ 
- Khi nước chuyển sang dạng tuyết và đá, có sự thay đổi đáng kể trong hằng số 
điện môi phức κ=κ’-jκ” 
- Với đá κ’gần như không đổi ≈3,17 với nhiệt độ từ 0oC Æ37oC, với bước sóng 
trong dải microwave và milliterwave . 
- Phần ảo κ” rất nhỏ và gần như không phụ thuộc tần số trong dải vi sóng và 
millimeterwave, thay đổi từ 3,7x10-3 Æ5,2x10-4, khi nhiệt độ từ 0oCÆ-30oC. 
- Giá trị rất nhỏ của phần ảo κ” chứng tỏ suy hao tương đối thấp. 
- Do tuyết và mưa đá chứa hỗn hợp của tinh thể đá và nước, nên suy hao phụ 
thuộc điều kiện thời tiết. 
- Suy hao của dải vi sóng trong tuyết khô nhỏ hơn 1 bậc so với suy hao trong mưa 
với cùng tốc độ . 
-Suy hao trong tuyết ướt có thể xấp xỉ trong mưa và thậm chí có thể cao hơn dải 
sóng mm . 
Ví dụ: suy hao 2dB/km ở tần số 35GHz cho tuyế ướt với tốc độ 5mm/h. ≈
 ================================================== 
§5.4 SUY HAO DO CÁC KHÍ TRONG KHÍ QUYỂN 
- Đồ thị suy hao (dB/km) theo tần số có các cực đại và cực tiểu Æ khái niệm “cửa 
sổ” là những dải tần số trung gian giữa các cực đại có suy hao thấp . 
- Ở tần số > 300GHz suy hao do oxygen có thể bỏ qua so với suy hao hơi nước. 
- Hấp thụ hơi nước xảy ra mạnh tại λ o = 1,35cm và 1,67mm 
- Hấp thụ do O2 xảy ra mạnh tại λ =0,5và 0,25cm . 
- Ở bước sóng λ =0,5cm riêng suy hao do O2 đã vượt quá 10dB/km Ækhoảng cách 
thông tin rất hạn chế. 
- Nếu chọn bước sóng làm việc thích hợp có thể hạn chế suy hao đáng kể, chẳng 
hạn tại λ o=1,33mm suy hao sẽ < 0,1dB/km 
 35
- Tuy nhiên có thể dùng dải sóng cực ngắn cho các ứng dụng đặc biệt ở khoảng 
cách ngắn hoặc giữa vệ tinh với vệ tinh do có thể tạo ra các anten có độ lợi cao, bù lại 
suy hao. 
§5.5 TÁN XẠ DO MƯA 
- Đóng vai trò quan trọng trong dẫn đường và dự báo thời tiết . 
- Xét giọt nước định xứ tại điểm (r,θ,ϕ) trong hệ toạ độ cầu đặt tại anten radar, θlà 
góc cực, ϕ là góc phương vị so với hướng nhìn của radar . 
- Công suất đến/đơn vị diện tích tại vị trí giọt nước là : 
 Pinc = PtG(θ,ϕ)/4πr2 
- Công suất tán xạ ngược tại vị trí radar là : 
 dPBS = PincσBS/4πr2
 - Công suất thu bởi anten radar là: 
 dPr = (λ0/4π) G(θ,ϕ)dPBS
+ Với giả thiết bỏ qua đa tán xạ (mutitiple scattering) và trễ pha 2ko (ri - rj) phân bố 
ngẫu nhiên từ 0Æ2π thì công suất tổng cộng thu được bởi radar là tích phân của 
 G2 /r2
trong thể tích đám mưa V, với là tiết diện tán xạ ngược trung bình trên đơn vị 
thể tích. 
- Giả sử sườn trước của xung radar phát ra tai t=0, tín hiệu về đến radar tại t=
c
r2 , 
cùng thời điểm với tín hiệu phát ở thời điểm t1 nhưng phản xạ bởi giọt mưa ở vị trí: 
r – ∆r = r – ct1/2 
* Vậy sườn sau của xung sẽ trả về 1 tín hiệu từ giọt mưa tại vị trí r-
2
τc tại cùng 
thời điểm với sườn trước từ giọt mưa ở vị trí r. 
* Chú ý: khoảng cách 
2
τc thường rất ngắn, chẳng hạn, với τ = 1 sµ Æ 
2
τc = 150 m. 
Do đó có thể bỏ qua suy hao của sóng đến và sóng về. 
 36
Ví dụ: Cho hệ radar có các thông số: 
 Pt = 100kW (peak) 
 Pulse length: τ = 1 sµ 
 Antenna Gain: G = 30 dB 
 tần số f = 100MHz 
 Độ rộng tia nửa công suất 0,063 rad 
Xác định công suất thu từ đám mưa cách 10km với tốc độ mưa 10 mm/h 
---------------------------------------------------------------------------------------------------- 
 37