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

 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: 
 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 
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 
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 
 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 
 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 
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 
 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 
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 
 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 
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 
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 
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 
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