Giới thiệu chung 1
1.1.1 Các chủ đề được trình bày trong chương
- Sự phân cực của sóng vô tuyến điện
- Phân chia sóng vô tuyến điện theo tần số và bước sóng
- Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực
- Công thức truyền sóng trong không gian tự do
- Hoc kỹ các phần được trình bày trong chương
- Trả lời các câu hỏi và bài tập
- Nắm được các dạng phân cực của sóng vô tuyến điện và các băng sóng vô tuyến
- Hiểu về các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực
- Nắm được cách tính toán các tham số khi truyền sóng trong không gian tự do
Nhắc lại một số tính chất cơ bản của sóng điện từ 1
Sóng điện từ bao gồm hai thành phần: điện trường, ký hiệu E (V/m) và từ trường, ký hiệu
H (A/m) Chúng có quan hệ mật thiết với nhau trong quá trình truyền lan và được mô tả bằng hệ phương trình Maxwell, viết ở các dạng khác nhau.
Giả sử một sóng phẳng truyền trong môi trường điện môi đồng nhất và đẳng hướng với các tham số như hệ số điện môi ε và hệ số từ thẩm μ Khi không có dòng điện và điện tích ngoài, hệ phương trình Maxwell mô tả mối quan hệ giữa điện trường và từ trường có thể được biểu diễn dưới dạng vi phân.
Chương 1: Các vấn đề chung về truyền sóng
Nghiệm của hệ phương trình này cho ta dạng của các thành phần điện trường và từ trường là một hàm bất kỳ.
Trong đó: F1, F2, G1, G2 là các hàm sóng tùy ý.
(m/s) là vận tốc pha của sóng. trường.
Từ (1.2) ta có : G1 = F1/ Z và G2 = F2/ Z với Z = (Ω) là trở kháng sóng của môi
Nếu môi trường truyền sóng là chân không (còn được gọi là không gian tự do) các tham số của môi trường có giá trị: ε0 = 10 9 /36π (F/m) ; à0 = 4π.10 -7 (H/m)
Sóng điện từ thường biến đổi điều hòa theo thời gian và có thể được coi là tổng hợp của nhiều dao động điều hòa Phép phân tích Fourier cho phép biểu thị các sóng điện từ phức tạp Khi chỉ có sóng thuận, tức là sóng truyền từ nguồn theo phương trục z mà không có sóng nghịch, các thành phần điện trường và từ trường sẽ được mô tả một cách cụ thể.
E = Em cosω( t − z v) = Em cosω ( t − kz )
Trong đó k = ω/v = 2π/λ gọi là hệ số pha hay hằng số sóng.
Sóng điện từ có mật độ công suất ( hay còn gọi là thông lượng năng lượng), được biểu thị bởi véc tơ năng lượng → = [E × →
Sóng điện từ có các véc tơ E và H nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng k Do đó, sóng điện từ truyền trong môi trường đồng nhất đẳng hướng được gọi là sóng điện từ ngang (TEM).
Sự phân cực của sóng vô tuyến điện 3
Trường điện từ của sóng vô tuyến dao động theo một hướng nhất định khi di chuyển trong môi trường Phân cực của sóng điện từ thể hiện hướng dao động này, và việc áp dụng các phân cực khác nhau có vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa tần số trong thông tin vô tuyến.
Trường tại vùng xa của anten có dạng sóng phẳng TEM và được xác định bằng vectơ Pointing: → = → × →
Điều này có nghĩa là các vectơ E và H nằm trong mặt phẳng vuông góc k [E H] với phương truyền sóng →
Phương của đường do đầu mút véc tơ trường điện vẽ lên xác định phân cực sóng Trường điện và trường từ là các hàm thay đổi theo thời gian, với trường từ thay đổi đồng pha và biên độ tỷ lệ với biên độ trường điện, do đó chỉ cần xem xét trường điện.
Có ba loại phân cực sóng vô tuyến điện: phân cực thẳng, phân cực tròn và phân cực elip.
Hầu hết các hệ thống truyền dẫn vô tuyến hiện nay sử dụng phân cực tuyến tính, trong đó phân cực đứng có nghĩa là trường điện vuông góc với mặt đất, còn phân cực ngang là trường điện song song với mặt đất Giả định rằng phân cực ngang và đứng tương ứng với trục x và y, tại một điểm trong không gian, vectơ trường của sóng được biểu thị thông qua các thành phần thẳng đứng và nằm ngang.
→ = a→ x Exsinωt (1.5) trong đó a→ y , a→ x là các vectơ đơn vị trong phương đứng và phương ngang; Ey, Ex là giá trị đỉnh k
(hay biên độ) của trường điện trong phương đứng và phương ngang.
Trường tổng sẽ là vectơ E hợp với trục ngang một góc được xác định như sau: α = arctan g E y
Trong hiện tượng phân cực đường thẳng của sóng điện từ, vectơ E không thay đổi phương hướng mà chỉ thay đổi độ dài theo thời gian Đầu mút của vectơ luôn nằm trên một đường thẳng cố định, tạo thành góc nghiêng α Khi α = 0°, sóng phân cực ngang xuất hiện với vectơ E song song với mặt đất; ngược lại, khi α = 90°, sóng phân cực đứng xảy ra với vectơ E vuông góc với mặt đất.
Hình 1.2 Các thành phân ngang và đứng của phân cực thẳng
Khi các thành phần thẳng đứng và nằm ngang có biên độ E0 bằng nhau, nhưng một trường có pha nhanh hơn 90 độ, các phương trình mô tả tình huống này sẽ được thể hiện như sau:
Biểu thức E = axE0 cosωt mô tả trường hợp trong đó α = ωt Biên độ của vectơ tổng là E0, với vectơ E có biên độ không đổi nhưng hướng thay đổi liên tục theo thời gian theo quy luật ωt Cụ thể, vectơ E quay quanh gốc của nó trong mặt phẳng xy với vận tốc ω, và đầu mút của vectơ trường điện vẽ lên một đường tròn có bán kính bằng độ dài của vectơ Đây chính là hiện tượng phân cực tròn.
E y ωt = 90 0 ωt = 180 0 ωt z Vectơ x hướng ra ngoài ωt = 270 0 t = 0 0 x §iÓm nh×n theo IEEE
LHC §iÓm nh×n theo IEEE z
Phân cực tròn được xác định bởi hướng quay của vectơ điện, yêu cầu quan sát chiều quay của vectơ Theo định nghĩa của IEEE, phân cực tròn tay phải (RHC) là phân cực quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn theo phương truyền sóng, trong khi phân cực tròn tay trái (LHC) quay ngược chiều kim đồng hồ Phương truyền sóng diễn ra dọc theo trục z dương.
Trong trường hợp tổng quát hơn sóng điện từ có dạng phân cực elip Điều này xẩy ra khi hai thành phần tuyến tính là:
Tỷ số sóng phân cực elip là tỷ lệ giữa trục chính và trục phụ của elip Phân cực elip trực giao xảy ra khi sóng có cùng tỷ số phân cực nhưng có phương quay ngược chiều.
1.4 PHÂN CHIA SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN THEO TẦN SỐ VÀ BƯỚC SÓNG
1.4.1 Nguyên tắc phân chia sóng vô tuyến điện
Sóng điện từ đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, bao gồm y học, quốc phòng, thăm dò tài nguyên khoáng sản, nghiên cứu vũ trụ và thông tin liên lạc Nhờ vào các tính chất vật lý và đặc điểm truyền lan, sóng vô tuyến điện được phân chia thành các băng sóng khác nhau, phục vụ cho các ứng dụng đa dạng.
Sóng cực dài là loại sóng có bước sóng lớn hơn 10.000 m với tần số thấp hơn 30 kHz Sóng dài có bước sóng từ 10.000 đến 1.000 m, tương ứng với tần số từ 30 đến 300 kHz Trong khi đó, sóng trung có bước sóng từ 1.000 đến 100 m và tần số từ 300 kHz đến 3 MHz.
Sóng ngắn: Những sóng có buớc sóng từ 100 đến 10 m (Tần số từ 3 đến 30 MHz) Sử dụng cho thông tin phát thanh điều tần, truyền hình.
Sóng cực ngắn: Những sóng có buớc sóng từ 10 m đến 1mm (Tần số từ 30 đến 300.000 MHz).Sóng cực ngắn được chia nhỏ hơn thành một số băng tần số
Các băng sóng gần ánh sáng bao gồm hồng ngoại, ánh sáng trắng, tia cực tím và tia X, với khoảng tần số từ 30 Hz đến 3000 GHz được phân chia thành 11 băng tần như thể hiện trong bảng 1.1.
1.4.2 Các băng sóng vô tuyến điện và ứng dụng
Mỗi băng sóng được ứng dụng cho các hệ thống thông tin khác nhau do đặc điểm truyền lan sóng trong các môi trường thực.
Băng sóng cực dài sử dụng ở lĩnh vực vật lý, thông tin vô tuyến đạo hàng, thông tin trên biển.
Băng sóng dài và băng sóng trung được sử dụng cho thông tin phát thanh nội địa, điều biên; thông tin hàng hải; vô tuyến đạo hàng.
Băng sóng ngắn được sử dụng cho phát thanh tầm xa và truyền tải thông tin đặc biệt, trong khi băng sóng mét chủ yếu phục vụ cho phát thanh điều tần và truyền hình.
Băng sóng decimét được sử dụng cho truyền hình, các hệ thống thông tin vi ba số băng hẹp, thông tin di động.
Băng sóng centimét chủ yếu được ứng dụng trong truyền tải thông tin vi ba số băng rộng và thông tin vệ tinh Trong khi đó, băng sóng milimét được sử dụng hạn chế cho thông tin vệ tinh với băng Ka, phục vụ cho các ứng dụng thông tin vũ trụ.
Tên băng tần (Băng sóng) Ký hiệu Phạm vi tần số
Tần số vô cùng thấp ULF 30 - 300 Hz
Tần số cực thấp ELF 300 - 3000 Hz
Tần số rất thấp VLF 3 - 30 kHz
Tần số thấp (sóng dài) LF 30 - 300 kHz
Tần số trung bình (sóng trung) MF 300 - 3000 kHz
Tần số cao (sóng ngắn) HF 3 - 30 MHz
Tần số rất cao (sóng mét) VHF 30 - 300 MHz
Tần số cực cao (sóng decimet) UHF 300 - 3000 MHz
Tần số siêu cao (sóng centimet) SHF 3 - 30 GHz
Tần số vô cùng (sóng milimet) EHF 30 - 300 GHz
1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THỰC.
Sơ lược về bầu khí quyển.
Bầu khí quyển của Trái Đất được phân chia thành ba tầng chính: tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng điện ly Ranh giới giữa các tầng này không cố định, mà có sự thay đổi theo mùa và địa lý, dẫn đến sự khác biệt rõ rệt về tính chất giữa các vùng khí quyển.
Tầng đối lưu là lớp khí quyển nằm từ bề mặt trái đất đến độ cao từ 6 đến 11 km Trong tầng này, nhiệt độ không khí giảm dần theo độ cao, tạo ra sự biến đổi nhiệt độ rõ rệt.
Ví dụ nhiệt độ trên bề mặt trái đất là 10 0 C có thể giảm đến -55 0 C tại biên trên của tầng đối lưu.