Bài giảng Trường điện từ và truyền sóng

Nội dung text: Bài giảng Trường điện từ và truyền sóng

1. BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG TÊN HỌC PHẦN :TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ TRUYỀN SÓNG MÃ HỌC PHẦN : 13205 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HẢI PHÒNG – 2010 1
2. CHƯƠNG MỞ ĐẦU 0.1. Giải tích véctơ - Tích vô hướng của hai vecto : AB. BA. A. B . c os - Tích có hướng của hai vecto : ABx ABsin .n ( A , B và n làm thành tam diện thuận) - Đạo hàm khối (hay đạo hàm không gian) của một trường (có thể là trường vô hướng P, hoặc trường vecto B ) là một đại lượng (vô hướng hoặc vecto) : gradP  P là một vecto P P P P x0 y z0 x y 0 z divB  B là một đại lượng vô hướng B B B .B x y z x y z rotB  xB là một vecto x0 y0 z0    xB x y z Bx By Bz Trong đó : toán tử Nabla ( ) trong tọa độ decac có dạng     x y z x 0 y 0 z 0 Chú ý hai công thức chuyển đổi tích phân : Công thức Gauss
   B n ds divB. dv S V Ý nghĩa : nếu divB 0 thì
   B n ds divB. dv 0 tức là tích phân đại lượng B theo một S V mặt kín S được giá trị khác 0, ta gọi trong mặt kín S có nguồn, còn khác đi ta gọi trong mặt kín không có gì (nguồn). Công thức Stok
   B. dl rotB. ds L S Ý nghĩa : nếu rotB 0 thì
   B. dl rotB. ds 0 tức là tích phân đại lượng B theo một L S đường cong kín L được giá trị khác 0, ta gọi B là trường xoáy (đường sức khép kín), còn khác đi ta gọi là trường không xoáy. 0.2. Điện trường tĩnh - Trường tĩnh điện là trường được tạo ra xung quanh các điện tích cố định ( E và D không thay đổi theo thời gian). - Trường tĩnh điện là một trường thế. - Là một trường mang năng lượng, có tương tác lên các điện tích. Các điện tích chuyển động ngang qua trường sẽ được gia tốc. 2
3. - Định lý Gauss :
   D. ds  q Q S Trường tĩnh điện là một trường có nguồn : div( E) - Trường tĩnh điện không phải là một trường xoáy, các đường sức của trường không khép kín trong không gian : rotE 0 - Vectơ cường độ điện trường E và thế (điện thế) của trường U : E gradU U 2U 0 - Điều kiện bờ : Thành phần tiếp tuyến của vectơ cường độ điện trường liên tục tại bờ : E1t E2t Thành phần pháp tuyến của vectơ điện cảm gián đoạn tại bờ khi trên bề mặt phân cách có điện tích : D1n D2n 0.3. Dòng điện dẫn - Dòng điện dẫn là dòng chuyển động có hướng của các hạt mang điện. - Định luật bảo toàn điện tích : d divJ dt Đối với dòng điện không đổi : divJ 0 - Định luật Ôm : J  E - Các định luật Kirchoff (2 định luật : tổng các dòng điện ở một nút bằng 0, và tổng các sụt áp trên một mạch vòng bằng tổng các sức điện động) 0.4. Từ trường tĩnh -Từ trường tĩnh là trường được tạo ra xung quanh các dòng điện không đổi ( B và H không thay đổi theo thời gian). - Định luật Ampe : Lưu số của vectơ cường độ từ trường H theo một đường cong kín L bằng tổng đại số của các dòng điện nằm trong vòng kín đó :
   H. dl  I L Từ trường là một trường xoáy, các đường sức từ khép kín trong không gian bao quanh các dòng điện tạo ra từ trường : rotH J - Thông lượng của vectơ cảm ứng từ qua một mặt kín bằng 0 :
   B. d s 0 S Từ trường là trường không có nguồn : divB 0 - Điều kiện bờ : 3
4. Thành phần pháp tuyến của vectơ cảm ứng từ liên tục tại bờ : B1n B2n Thành phần tiếp tuyến của vectơ cường độ từ trường gián đoạn tại bờ khi trên mặt phân cách có dòng điện : H1t H2t J s 4
5. Chương 1 TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 1.1 HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXELL Hệ phương trình Maxell dạng vi phân (cột 1 bảng 4.1 tr. 46 giáo trình) E  rotH J  D t xH J t H rotE  B t  Hoặc xE t div E .D div H 0  .B 0 Hệ phương trình Maxell dạng tích phân (cột 3 bảng 4.1 tr. 46 GT) d  H. dl I D. ds
   dt l S  E. dl Bd s
   t l s   E. ds q
    S
    H. ds 0 S  Trong đó : E Vectơ cường độ điện trường [V/m] D Vectơ điện cảm (D  E) [A/m2] H Vectơ cường độ từ trường [A/m] B Vectơ từ cảm (B H ) [T=Wb/m2] J Mật độ dòng điện [A/m2] Mật độ điện tích khối [C/m3] Ý nghĩa vật lý của các phương trình Maxell được tóm tắt như trong cột 4 bảng 4.1 tr.46 GT: - phương trình Maxell thứ nhất có thể biến đổi như sau : E  H. dl (J  )d s Jd s  Ed s i i
   dan dich l s t s t s 5
6. trong đó i Jd s là dòng điện dẫn-dòng chuyển động của các điện tích, còn dan s J  E (định luật Ôm – tr.27)  ( E) i  Ed s d s là dòng điện dịch-dòng xuất hiện do có sự dich t s s t biến thiên của cường độ điện trường theo thời gian. Khái niệm về dòng điện dịch được trình bày rõ ràng và đơn giản ở mục 4.1 tr. 40 GT. “Điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường xoáy (biến thiên trong không gian với đường sức khép kín)” - phương trình Maxell thứ hai có thể viết d 
   E. dl Bd s l dt t s “Từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra điện trường xoáy” - phương trình Maxell thứ ba thể hiện điện trường có nguồn, nguồn của điện trường là các điện tích. - phương trình Maxell thứ tư thể hiện từ trường không có nguồn. Trong tự nhiên không có các từ tích tự do. - điều kiện bờ tổng quát của trường điện từ trường biến thiên : Et1 Et 2 Dn1 Dn2  Ht1 Ht 2 J s Bn1 Bn2 Chú ý 1 : Nguyên lý đổi lẫn của các phương trình Maxell E  rotH J  H
   E  t J
   J m H rotE J m    trong đó J m và m là đại lượng ảo 
    t
   div E m  div H m  Chú ý 2 : Điện trường tĩnh và từ trường tĩnh là các trường hợp riêng của trường điện từ biến thiên, khi đó các thành phần đạo hàm theo thời gian bằng 0, Hệ phương trình Maxell trong các trường hợp này sẽ có các biến dạng như các kết quả khảo sát của các chương 1, 2, 3. Chú ý 3 : Một số công thức của giải tích vectơ cần ôn lại môn Toán cao cấp 2, và được ghi lại ở phụ lục 1 tr.270 GT. 1.2 ĐỊNH LÝ POYNTING 6
7. 1.2.1 Định lý Poynting : dW P d s dt s  E 2 H 2 trong đó W ( )dv là năng lượng điện từ tích tụ trong thể tích V V 2 2 P J E dv là công suất tổn hao nhiệt của dòng điện trong V V  EHx được gọi là vectơ Poynting. - Vectơ  là vectơ mật độ thông lượng năng lượng chảy qua mặt S trong đơn vị thời gian. Theo định nghĩa, thì năng lượng của trường điện từ ở mỗi điểm sẽ lan truyền theo phương của vectơ  , tức là phương pháp tuyến với mặt phẳng tạo bởi hai vectơ E và H . Giá trị (tức thời) : EH  EH. .sin(EH , ) EH. (W/m2) Giá trị trung bình : T 1 1 * 1 * tb dt (E H ) Re(E m H m ) T 0 2 2 - Định lý Poynting chỉ ra rằng : sự biến đổi năng lượng trường điện từ trong một thể tích V, một phần do biến thành nhiệt và một phần do truyền lan thoát ra mặt bao bọc thể tích ấy. - Còn gọi là định lý Umôv-Poynting. 1.2.2 Chứng minh định lý Poynting – tr.49 Gợi ý : E rotH J  E t H H rotE  t E H 1 2 E 2 H ErotH HrotE JE  E  H JE (  ) t t 2 t 2 t 2 ErotH HrotE div( E H ) 2 2 E 1 (E ) H 1 (H ) E H t 2 t t 2 t từ đó suy ra công thức 4.30 và 4.31 1.2.3 Các ví dụ minh họa định lý Poynting -Trong môi trường điện môi lý tưởng  0 , tức là J 0 và P 0 dW nếu 0 tức là d s 0 năng lượng thoát ra khỏi V, bao bởi mặt S dt S 7
8. dW nếu 0 tức là d s 0 năng lượng thâm nhập vào V, bao bởi mặt S dt S - Khảo sát sự truyền năng lượng qua đoạn dây dẫn (tr.52). Câu hỏi ôn tập chương 1 : 1. Hệ phương trình Maxell và ý nghĩa vật lý. 2. Trình bày nguyên lý đổi lẫn của các phương trình Maxell. 3. Phát biểu định lý Poynting và nêu ý nghĩa vật lý. 4. Chứng minh định lý Poynting. 8
9. Chương 2 SÓNG ĐIỆN TỪ PHẲNG 2.1 KHÁI NIỆM VỀ SÓNG PHẲNG - mặt đồng biên : cùng biên độ - mặt đồng pha : cùng pha - sóng điện từ phẳng : mặt đồng pha đồng biên là mặt phẳng (gần đúng ở vùng xa đối với tất cả các nguồn bức xạ) 2.2 SÓNG PHẲNG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐIỆN MÔI LÝ TƯỞNG 2.2.1 Một số giả thiết - môi trường điện môi lý tưởng  0 - không có nguồn ngoài J 0, 0 - chọn hệ tọa độ i z  mặt sóng (x,y), Ez H z 0 do đó E Ex i x Ey i y và H Hx i x Hy i y có thể tách thành 2 hệ thống A(gồm Ex,Hy) và B(gồm Ey,Hx) 2.2.2 Phương trình sóng (5.4 tr 59) - xuất phát từ hệ phương trình maxell với giả thiết 2.2.1 - triển khai hai vế của M1 và M2, chú ý sóng truyền theo trục z nên    0 chỉ có 0 đối với EEHH, , , x y z x y x y     0 đối với EH, x y z t z z dẫn ra được hệ phương trình 5.2 tr 58. - để nhận được phương trình sóng đối với các thành phần sóng, lấy Ex làm điển hình, xuất phát từ I.a H H E z y  x y z t vi phân 2 vế : Hy E  x (.)II b 2E  H  H t z 1 2E  x ( y ) ( y ) x t 2 t z z t  z2 - rút ra phương trình sóng đối với Ex : 2E 1 2E  x x t 2  z2 1 đặt v ta có pt 5.4 tr 59 :  2E 1 2E 2E 2E z x x 0 hay x x 0 với  z2 v2 t 2  2 t 2 v 2.2.3 Nghiệm của phương trình sóng Nghiệm của 5.5 là hàm số tùy ý theo hai biến dạng F( t ) và F( t ) vì cả hai hàm này đều có đạo hàm bậc 2 theo t và  bằng nhau. Nghiệm tổng quát có dạng : 9
10. z z E F( t  ) F( t  ) F( t ) F( t ) x 1 2 1 v 2 v F1( t  ) biểu diễn sóng truyền theo hướng z dương F2 ( t ) biểu diễn sóng truyền theo hướng z âm 2.2.4 Quan hệ giữa các thành phần trường E F( t z ) H y E x 1 v Từ  x thay z t H G( t z ) y 1 v 1 ta có  F' ( t z ) G' ( t z ) 1 v v 1 v 1 lấy tích phân theo biến (t z ) lại có  F( t z ) G( t z ) v 1 v v 1 v 1  chú ý : v và có F( t z ) G( t z )  1 v  1 v Như vậy đối với sóng thuận : Ex 
    Z0 gọi là trở kháng sóng H y  2.2.5 Sóng phẳng điều hòa Đối với sóng phẳng điều hòa :  F( t z ) Acos (t z ) Acos(t z) 1 v v v  2 f 2 Ký hiệu : k và gọi là hệ số pha hay hằng số sóng, có thể viết v v  Ex E0 cos(t kz) E0 cos(t kz) hay i(t kz) i(t kz) Ex E0 e E0 e E0 Thành phần Hy vuông góc với Ex và có giá trị bằng . Z0 Hình 5.3a biểu diễn sự phụ thuộc của các thành phần E và H theo thời gian tại một điểm z cố định. Hình 5.3b biểu diễn sự phụ thuộc của E và H theo z ở một thời điểm cố định. 2.3 SÓNG PHẲNG TRONG MÔI TRƯỜNG BÁN DẪN 2.3.1 Phân loại môi trường truyền sóng Thực tế không có môi trường điện môi lý tưởng, và do đó chỉ có môi trường truyền sóng bán dẫn. Tính bán dẫn phụ thuộc vào quan hệ tương đối giữa dòng điện dẫn Jdẫn ( E) và dòng E điện dịch Jdịch ( ) . t Môi trường được coi là môi trường dẫn điện, nếu : 10
11. E  E
     t Và ngược lại môi trường được coi là môi trường điện môi, nếu : E  E
     t Cần chú ý rằng : tính chất môi trường không chỉ phụ thuộc vào các thông số ,  mà còn phụ E thuộc vào tốc độ biến thiên của điện trường ( ) tức là phụ thuộc vào tần số của sóng trong t trường hợp sóng điều hòa. 2.3.2 Khái niệm hằng số điện môi phức Từ phương trình M1 đối với sóng điều hòa :  rotH  E i E i(  i )E i E  p  trong đó   i được gọi là hằng số điện môi phức, và do đó có thể suy từ các kết quả p  khảo sát trường trong môi trường điện môi (lý tưởng) cho môi trường bán dẫn với việc thay  bởi  p , như bảng tr 64, theo đó : ik' z i t z i z i t E E0 e e E0 e e e trong đó : được gọi là hệ số suy giảm sóng,  được gọi là hệ số pha  ik ' i được gọi là hằng số truyền lan phức 2.3.3 Hai trường hợp gần đúng Môi trường gần với điện môi 
     E , các công thức ở cột 2 bảng tr 64 là gần đúng   1 ( ), còn chỉ có  Z (không phụ thuộc tần số) 2  2 0 Môi trường gần với dẫn điện 
     E các công thức 5.31 đến 5.35 phần b. Với các nhận xét : - hệ số pha và hệ số suy giảm có giá trị bằng nhau - suy giảm sóng phụ thuộc vào tần số, do đó ở tần số càng lớn suy giảm sóng càng cao - Trở kháng sóng có giá trị nhỏ ( lớn), có nghĩa là trong vật dẫn thì thành phần chủ yếu của trường là từ trường (H lớn) - Thành phần H và E sai pha bằng / 4 Câu hỏi ôn tập chương 2 : 1. Phương trình sóng và nghiệm của phương trình sóng trong môi trường điện môi lý tưởng. 2. Trình bày về khái niệm sóng phẳng điều hoà. 3. Sóng phẳng trong môi trường bán dẫn và khái niệm hằng số điện môi phức. 11
12. Chương 3 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ TRUYỀN SÓNG 3.1. PHÂN LOẠI SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN Băng sóng Bước sóng  (m) Khoảng tần số f sóng cực dài > 10000 f < 30 KHz sóng dài (LW) 1000  10000 30 KHz  300 KHz sóng trung (MW) 100  1000 300 KHz  3 MHz sóng ngắn (SW) 10  100 3 MHz  30 MHz sóng cực ngắn 1 mm  10 m 30 MHz  300000 MHz sóng siêu cao tần mm, cm, dm Băng tần vi ba Phổ vi ba thường được xác định là năng lượng điện từ có tần số khoảng từ 1 GHz đến 1000 GHz, nhưng trước đây cũng bao gồm cả những tần số thấp hơn. Những ứng dụng vi ba phổ biến nhất ở khoảng 1 đến 40 GHz. Băng tần vi ba được xác định theo bảng sau: Băng tần vi ba Ký hiệu Dải tần L 1 đến 2 GHz S 2 đến 4 GHz C 4 đến 8 GHz X 8 đến 12 GHz Ku 12 đến 18 GHz K 18 đến 26 GHz Ka 26 đến 40 GHz Q 30 đến 50 GHz U 40 đến 60 GHz V 50 đến 75 GHz E 60 đến 90 GHz W 75 đến 110 GHz F 90 đến 140 GHz D 110 đến 170 GHz Bảng trên theo cách dùng của Hội vô tuyến điện Anh (Radio Society of Great Britain, RSGB). Đôi lúc người ta ký hiệu dải tần số cực cao (UHF) thấp hơn băng L là P. Thuật ngữ “viba” (microwaves) là để chỉ những sóng điện từ có bước sóng rất nhỏ, ứng với phạm vi tần số rất cao của phổ tần số vô tuyến điện. Phạm vi của dải tần số này cũng không có sự quy định chặt chẽ và thống nhất toàn thế giới. Giới hạn trên của dải thường được coi là tới 300 GHz (f = 3.1011 Hz), ứng với bước sóng =1mm (sóng milimet), còn giới hạn dưới có thể khác nhau tuỳ thuộc vào các quy ước theo tập quán sử dụng. Một số nước coi "sóng cực ngắn" là những sóng có tần số cao hơn 30 MHz 12
13. (bước sóng  ≤ 10m), còn một số nước khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz (bước sóng  ≤ 1m). Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt được trong việc chinh phục các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm về phạm vi dải tần của "viba" cũng có thể còn thay đổi. Hình 0-1 minh hoạ phổ tần số của sóng điện từ và phạm vi dải tần của kỹ thuật viba được coi là đối tượng nghiên cứu trong môn học này. Tần số (Hz) 3.10 3.10 3.10 3.10 3.10 3.1010 3.1011 3.1014 5 6 7 8 9 sóng ánh sóng sóng sóng mét Vi ba Hồng ngoại sáng dài trung ngắn (VHF) nhìn thấy 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-6 Bước sóng (m) Phổ tần số của sóng điện từ Trong ứng dụng thực tế, dải tần của vi ba còn được chia thành các băng tần nhỏ hơn: - Cực cao tần UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ 3 GHz - Siêu cao tần SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz - Thật cao tần EHF (Extremely High Frequency): f = 30 ÷ 300 GHz Ngày nay, thông tin vô tuyến được sử dụng chủ yếu là ở dải tần vi ba, từ 400 ÷ 500 MHz (bộ đàm vô tuyến), từ 900 ÷ 1800 MHz (thông tin di động cá nhân), thông tin vệ tinh dùng cho cả lĩnh vực viễn thông và phát thanh truyền hình dùng dải tần từ 1 GHz ÷ 30 GHz, được chia thành các băng L (1÷2GHz) cho vệ tinh di động tầm thấp, băng S (2÷4GHz), băng C (4÷7GHz), băng X (7÷11GHz), được dành riêng cho quân sự. băng Ku (11÷14GHz), băng K (14÷20GHz) và băng Ka (20÷30GHz) dùng cho vệ tinh cố định CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN a. Phương thức truyền thẳng trong không gian tự do (sóng tự do) - là phương thức truyền trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng của không gian vũ trụ 13
14. - ví dụ : sóng truyền giữa vệ tinh với con tàu vũ trụ, trái đất với vệ tinh, vệ tinh với vệ tinh b. Phương thức truyền sóng đất: - là cách truyền sóng gần mặt đất theo kiểu truyền thẳng c. Phương thức truyền sóng đối lưu - là cách truyền sóng nhờ sự tán xạ ở tầng đối lưu hay kiểu dẫn sóng trong ống dẫn sóng d. Phương thức sóng trời : - là cách truyền sóng nhờ sự khúc xạ và phản xạ hay tán xạ sóng từ tầng điện li - tầng điện li : cách mặt đất 80 đến 400 km, có một khoảng không gian chứa các điện tử tự do và các ion gọi là tầng điện li. Tầng điện li có tính chất khúc xạ liên tục làm tia sóng bị uốn cong và đến độ cao nào đó thì quay về mặt đất. Tầng điện li còn có những vùng không đồng nhất gây tán xạ tia sóng phát lên trong đó có một số tia quay về mặt đất. - truyền bằng phương thức sóng trời thường dùng cho sóng ngắn và một phần băng sóng trung (gần sóng ngắn) 3.2 CÔNG THỨC TRUYỀN SÓNG LÝ TƯỞNG Nguồn bức xạ điểm - giả sử có một nguồn bức xạ điểm P đặt trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng, không hấp thụ sóng, nguồn P sẽ khúc xạ năng lượng về mọi hướng, mặt sóng có dạng là mặt cầu - giả sử công suất bức xạ của điểm là p, diện tích mặt cầu ta khảo sát là 4 r 2 , thì thông lượng năng lượng là : 2 P Eh S 2  tb EHh h 4 r Z0 0 Z0 120  0 E 2 P 30P S h E V 120 4 r 2 h m r - trị số tức thời nếu dùng anten có độ định hướng D 60PD 60PD E cos(t kr) e j(t kr) r r - hay 173 P Kw D E mV h m r Km hoặc 245 P Kw D E mV 0 m r Km Nếu nguồn bức xạ đặt tại mặt đất dẫn điện lí tưởng E sẽ tăng lên 2 lần h 245 p Kw D E 2E h d h R Km Nguồn bức xạ là lưỡng cực điện dài l 60 IA l m E V h m  m R m 14
15. IA : dòng hiệu dụng chạy trong lưỡng cực điện  m : bước sóng của sóng phát đi Nếu chiều dài hiệu dụng là h hd 120 IA h E V h m r km  3.3 NGUYÊN LÝ HUY GHEN VÀ MIỀN FRESNEL - Nguyên lý Huy ghen : “Mỗi điểm của mặt sóng gây bởi một nguồn bức xạ sơ cấp có thể được coi như nguồn của một sóng cầu thứ cấp mới” Vì vậy, có thể tính trường ở một điểm bất kỳ trong không gian khi đã biết trường ở trên một bề mặt nào đó ! chú ý : ý nghĩa công thức (9.32) và các công thức (9.34) và (9.35) - Miền Fresnel : để giải thích tác dụng miền Fresnel thứ nhất dùng hình (9.19) và (9.20), nhưng khi xác định bán kính miền Fresnel dùng mặt phẳng So theo hình (9.21). Kết quả được hình (9.22) 3.4 PHÂN CỰC SÓNG (mục 9.4 trang 146 SGK) Xét sóng phẳng lan truyền trong môi trường điện môi lý tưởng là sóng điện từ ngang TEM. Giả sử hướng lan truyền là hướng, ở mỗi điểm khảo sát M, điện trường E có thể phân tích thành hai thành phần nằm trong mặt phẳng yOz, gồm thành phần thẳng đứng E z và thành phần nằm ngang E y , có độ lớn là : Ez Ezm.cos(t z ) Ey Eym.cos(t y ) Tùy thuộc vào mối quan hệ giữa biên độ ( Ezm và Eym ) và pha ( z và y ) của hai thành phần điện trường mà phân ra các loại phân cực sóng. 3.4.1. Sóng phân cực thẳng. Khi z y , hoặc z y thì sóng có dạng phân cực thẳng, vecto E có độ lớn là : 2 2 E Ezm Eym .cos( t- ) còn hướng của E được xác định bởi góc , thỏa mãn : E E tg z zm const Ex Exm đầu mút của vecto E luôn nằm trên đường thẳng làm với trục oy góc . 3.4.2. Sóng phân cực tròn. Khi : 0 z y 90 Ezm Eym Em Có thể viết Ez Em. c os t Ey Em.sint Vecto tổng cộng E có biên độ là : 15
16. 2 2 E Ez Ey Em const còn hướng xác định bởi góc thỏa mãn : E tg z tg t Ey tức là : t , đầu mút vecto E quay trên vòng tròn tâm O bán kính Em và vì thế gọi là sóng phân cực tròn. 3.4.3. Sóng phân cực elip. Trường hợp không thỏa mãn điều kiện : 0 z y 90 Ezm Eym Em ta sẽ có dạng sóng phân cực không tròn, phân cực elip. PHẢN XẠ SÓNG TỪ MẶT ĐẤT - khái niệm góc nghiêng   j px - khái niệm hệ số phản xạ Epx REpx. t Rpx Rpx e - Hình 9.16 và hình 9.17 so sánh hệ số phản xạ của sóng phân cực đứng và sóng phân cực ngang, với các nhận xét : 1. về giá trị hệ số phản xạ 2. về pha của hệ số phản xạ 3. tính toán bằng đồ thị thực nghiệm Câu hỏi ôn tập chương 3 : 1. Phân loại băng sóng vô tuyến điện. 2. Công thức truyền sóng lý tưởng. 3. Khái niệm về phân cực sóng. 4. Trình bày nguyên lý Huyghen và khái niệm miền Fresnel. 16
17. Chương 4 TRUYỀN SÓNG ĐẤT 4.1 Khái quát chung 4.2 Truyền sóng đất anten đặt cao (sóng cực ngắn) 4.3 Truyền sóng đất anten đặt thấp (sóng dài trung ngắn) 4.1 KHÁI QUÁT CHUNG 1. Thông số điện của đất -Một số giả thiết, - Giá trị điển hình của một số loại đất (bảng 10.1 tr 158) 2. Phân loại các trường hợp truyền lan sóng đất - Phân biệt trường hợp anten đặt thấp và anten đặt cao : anten đặt thấp là trường hợp truyền sóng đất ở dải sóng dài trung ngắn, anten đặt cao là trường hợp truyền sóng đất ở dải sóng cực ngắn - Phân biệt trường hợp mặt đất phẳng và mặt đất cầu khi cự ly thông tin không lớn so với độ cong mặt đất thì coi mặt đất là phẳng và khi cự ly thông tin lớn cần tính tới độ cong của mặt đất cầu Dàn ý chương này : - Anten đặt cao - trường hợp mặt đất phẳng – hiện tượng giao thoa - trường hợp mặt đất cầu – tầm nhìn thẳng - Anten đặt thấp - trường hợp mặt đất phẳng – hiện tượng mặt đất hấp thụ sóng điện từ - trường hợp mặt đất cầu – hiện tượng nhiễu xạ 4.2 ANTEN ĐẶT CAO (đúng với truyền sóng đất dải sóng cực ngắn) 1. Mặt đất phẳng a. Công thức giao thoa Vêdenski - mô hình số liệu : ,,,  và h1,,,, h2 r r1  r, R và kw,m,mv/m - xuất phát từ công thức truyền sóng lý tưởng cho tia tới trực tiếp (10.1) và công thức cho tia phản xạ từ mặt đất (10.2) xét với các trường hợp sóng phân cực ngang (tổng đại số) và sóng phân cực đứng (tổng vectơ), đều có dạng tổng quát (10.15) : 173 PD E hesogiaothoa h r A hesogiaothoa 1 R2 2R cos( k r) - điều kiện gần đúng với thực tế để có R 1, bảng 10.2 346 PD 346 PD 2 h h E sin(  r) sin( 1 2 ) h r  r r  0 áp dụng điều kiện sin  có công thức Vêdenski : h h E 2.18 PD 1 2 h r 2 b. Điều kiện truyền sóng tốt nhất (tự đọc) c. Thực tế : đối với các hệ thống thông tin di động, thông tin mặt đất khác ảnh hưởng của giao thoa nhiều tia rất phức tạp, người ta phải sử dụng nhiều mô hình truyền sóng gần đúng khác nhau, sẽ được khảo sát trong các môn học khác, như thông tin di động 17
18. 2. Mặt đất cầu -Tầm nhìn thẳng r0 3.57( h1 h2 ) - Cường độ trường trong trường hợp mặt đất cầu vẫn dùng công thức Vêdenski nhưng thay ' ' h1, h2 bằng h1, h2 ' ' - Đọc giải tích hình học tr 165 để tính h1, h2 trong 3 trường hợp cự ly nhỏ (10.23) cự ly lớn gần bằng tầm nhìn thẳng (10.24) và cự ly trung gian (lấy gần đúng bằng trung bình cộng hai trường hợp trên) 4.3 ANTEN ĐẶT THẤP (đúng với dải sóng dài trung ngắn) 1. Mặt đât phẳng đồng nhất a. Cấu trúc trường tại điểm thu - hình 10.9 ' - thực tế với  p
    1 trong không khí E1z
    E1x trong lòng đất E2z
    E2x b. Công thức Sulâykin-Vander Pol - công thức truyền sóng lý tưởng (đất dẫn điện lý tưởng) - công thức Sulâykin-Vander Pol (10.40) hoặc (10.41). - xác định hệ số suy giảm F tính theo đồ thị hình 10.14 hoặc theo công thức (10.48) và (10.49) Nx : tổn hao sẽ tăng (F tăng) khi rút ngắn bước sóng ( , x , F ) hay giảm độ dẫn điện của đất (đất khô hơn) - trường hợp anten nằm ngang, sóng bức xạ phân cực ngang và x được tính theo công thức (10.50) c. Phương thức truyền lan sóng mặt đất thực tế chỉ có hiệu quả đối với sóng dài và sóng trung, ít hiệu quả đối với sóng ngắn và sóng cực ngắn. 2. Mặt đất phẳng không đồng nhất - cơ sở :  càng lớn, mặt đất dẫn điện càng tốt thì độ suy giảm F càng nhỏ khoảng cách càng xa, cường độ trường càng suy giảm - trường hợp truyền sóng qua miền đất không đồng nhất, độ suy giảm tại bờ (không đồng nhất) không liên tục, cụ thể : trường hợp đất – biển : quanh bờ, cường độ trường ở miền biển (khoảng cách xa hơn) lại lớn hơn cường độ trường ở miền đất liền (khoảng cách gần hơn) theo hình 10.17 trường hợp biển – đất : ngược lại cường độ trường suy giảm mạnh hơn khi đi sâu vào bờ. - Hiện tượng khúc xạ tại bờ : là hiện tượng biến đổi hướng của sóng khi gặp bờ phân giới. (tr 180) 3. Mặt đất cầu – hiện tượng nhiễu xạ - Hiện tượng nhiễu xạ là hiện tượng quỹ đạo sóng bị uốn cong đi quanh vật chướng ngại gặp trên đường truyền lan. - Giải thích bằng nguyên lý Huyghen và miền Fresnel - Chiều cao tương đương h ứng với khoảng cách r - Hiện tượng nhiễu xạ chỉ có tác dụng đối với sóng dài và sóng trung 4.4 CÔNG CỤ TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ TRƯỜNG SÓNG ĐẤT 18
19. - công cụ đồ thị của CCIR (Ủy ban tư vấn vô tuyến điện quốc tế (CCIR-Consultative Committee for International Radio) - công cụ phần mềm của ITU – GRWAVE software trong Câu hỏi ôn tập chương 4 : 1. Công thức giao thoa Vedenski. 2. Công thức giao thoa khi tính tới độ cong mặt đất. 3. Công thức Sulaykin-vanderPol. 4. Hiện tượng suy giảm không liên tục và khúc xạ tại bờ khi truyền lan sóng đất qua các miền đất phẳng không đồng nhất. 5. Trình bày hiện tượng nhiễu xạ sóng quanh mặt đất cầu. 19
20. Chương 5 TRUYỀN SÓNG TẦNG ĐỐI LƯU 5.1. ĐẶC TÍNH TẦNG ĐỐI LƯU 1. Tính chất vật lý tầng đối lưu tự đọc, chú ý kết luận cuối cùng ở cuối trang 183 2. Tính chất điện của tầng đối lưu - khái niệm hệ số điện môi tương đối  ' chiết suất của môi trường điện môi n  ' chỉ số chiết suất N 106 (n 1) dN - đối với tầng đối lưu thường 4.3.10 2 (1/m ) dh 5.2 TÁC ĐỘNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU ĐỐI VỚI TRUYỀN SÓNG ĐẤT 1. Hiện tượng khúc xạ khí quyển - Hiện tượng khúc xạ khí quyển ? - Bán kính cong của quỹ đạo sóng mô hình số liệu : n và dn, và d , n 1, sin 1 sử dụng các giả thiết gần đúng thực tế có công thức (11.14), và nhận xét ở cuối trang 187. 2. Bán kính tương đương của trái đất – sóng đất anten đặt cao (sóng cực ngắn) - Mô hình toán xác định bán kính tương đương của trái đất (hình 11.5) và có atd 8500km ' - tính r0 và h’ 3. Hiện tượng phadinh trong tầm nhìn thẳng (tự đọc) 5.3 TRUYỀN SÓNG TẦNG ĐỐI LƯU 1. Truyền sóng tầng đối lưu kiểu ống dẫn sóng - Hiện tượng siêu khúc xạ phát sinh truyền sóng ống dẫn sóng - điều kiện phát sinh ống dẫn sóng tầng đối lưu 2. Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu - Hiện tượng, và giải thích định tính - Nhận định. 5.4 SUY GIẢM SÓNG TRONG TẦNG ĐỐI LƯU - chỉ ở dải sóng cm và mm - Nguyên nhân chủ yếu là do mưa và sương mù : hấp thụ sóng do hạt nước, sự khuếch tán sóng, biến đổi phân cực sóng r - công thức tính toán ( E E0 e ) và đồ thị tính toán Câu hỏi ôn tập chương 5 : 1. Các đặc tính của tầng đối lưu. 2. Hiện tượng khúc xạ khí quyển và bán kính tương đương của trái đất. 20
21. Chương 6 TRUYỀN SÓNG TẦNG ĐIỆN LY 6.1 TÍNH CHẤT CỦA TẦNG ĐIỆN LY - cấu tạo tầng khí quyển cao - các nguyên nhân ion hoá chất khí - sự hình thành các lớp khí quyển tầng điện ly 3 giả thiết 3 nguyên nhân sự tái hợp của các điện tích tự do - hệ số điện môi và điện dẫn suất của tầng điện ly a- trường hợp không kể tới ion và không kể tới va chạm J i E 0 0 N e2 2 e ' J J0 Je N e i 0 (1 )E i i E  i E e m2  Je E 0 i m  i 0 suy_ ra : N e2 N  ' 1 e 1 80.8 e i 2 2 m 0 f b- trường hợp xét tới ion, nhưng không kể tới va chạm J J J J J 0 e i i  i 0 2 2 2 N e N e N e  ' 1 e i i i m 2 m 2 m 2   0 i  0 i   0 tuy nhiên thường bỏ qua ảnh hưởng của các ion vì khi số lượng các điện tử và ion so sánh được với nhau thì do khối lượng của các ion lớn hơn điện tử nhiều bậc (hàng nghìn, hàng trăm nghìn lần). c- có tính tới va chạm, tính tới sự hấp thụ trong chất khí ion hoá dv i v dv dv dt eE m m v m(  v) mv( i  ) dt dt e 1 e  i suy ra : v E E m  i m  2  2 và vẫn có : 2 2 Ne e  Ne e 1 J J0 Je i 0 E Ne ev 2 2 E i 0 (1 2 2 )E m   m0   tách riêng phần thực và phần ảo : N e2 e  2 Ne  i  2.82.10  m  2  2 i  2  2 2 thay số, ta có ' Ne e 1 ' 9 Ne i 1 2 2 i 1 3.19.10 2 2 m0     -Hấp thụ sóng qua tầng điện ly tính tới khi  i 0 và chú ý dải tần với các công thức (5.32a) và (5.32b). 6.2 KHÚC XẠ VÀ PHẢN XẠ SÓNG TRONG TẦNG ĐIỆN LY 21
22. - góc tới hạn ' ' ' sin0  0 sin1 1 sinn  n N với  ' 1, sin 1 suy ra sin  ' 1 80.8 e 0 n 0 n f 2 với mỗi giá trị Ne và tần số f, tồn tại một góc 0th mà sóng chỉ phản xạ với 0 0th , còn khác đi sóng sẽ vượt qua tầng điện ly không phản xạ trở về mđ. (chú ý chỉ số 0 biểu thị tầng dưới ' cùng của tầng điện ly có 0 1) - cự ly tới hạn (cự ly phản xạ ngắn nhất) và miền im lặng - tần số tới hạn và tần số cực đại (ứng với mỗi góc 0 ) một cự ly thông tin nhất định quy định một góc tới 0 và một giá trị Ne, có một giá trị tần số lớn nhất có thể phản xạ là 80.8N f f e và f f 80.8N suy ra f 0 f sec  0 0 0 e  0 0 cos0  cos0 fth (~Ne max )  fmax ( fmax fth ) 6.3 ĐẶC TÍNH CÁC LỚP ION HOÁ TRONG TẦNG ĐIỆN LY - Hình 12.13 các lớp khí quyển tầng điện ly theo thời gian trong ngày - Đặc điểm các lớp D, E, F Chung : các lớp trên có mật độ điện tử cao hơn, tần số tới hạn cao hơn lại có độ cao lớn hơn nên phản xạ được tần số lớn cự ly xa Lớp D : - thấp nhất - chỉ phản xạ được sóng dài (fth=100-700 Khz) - hấp thụ mạnh sóng trung vì mật độ khí lớn Lớp E : - phản xạ được sóng trung và dải dưới sóng ngắn - cả ban ngày và ban đêm sóng trung đều phản xạ được từ lớn E, nhưng ban ngày có lớp D hấp thụ mạnh sóng trung nên coi như sóng trung không truyền lan được bằng phương thức sóng trời vào ban ngày. Lớp F - phản xạ sóng ngắn - ban ngày tách làm 2 Lớp Es - bất thường về mật độ điện tử, có thể cao hơn lớp E, thậm chí cả lớp F nên có thể phản xạ được cả tần số rất cao - bất thường về thời gian - bất thường về không gian Câu hỏi ôn tập chương 6 : 1. Các đặc tính của tầng điện ly. 2. Tính thông số điện của tầng điện ly trong trường hợp đơn giản hoá. 3. Tính thông số điện của tầng điện ly khi tính tới cả sự va chạm các hạt dẫn. 4. Khúc xạ và phản xạ sóng trong tầng điện ly. 5. Đặc tính các lớp ion hoá trong tầng điện ly. 22
23. Chương 7 ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG CỦA CÁC BĂNG SÓNG 7.1 : BĂNG SÓNG DÀI VÀ CỰC DÀI Với sóng dài có bước sóng  nên bán kính b lớn khả năng nhiễu xạ của tia sóng tốt hơn do 1 đó kiều truyền sóng đất của bước sóng dài có hiệu quả nhất cũng chỉ đến cự li 2000 km nên sóng dài chỉ dùng cự li ngắn, nội bộ tỉnh - nếu với cự li xa hơn 2000 km thì không dùng kiểu nhiễu xạ được vì bán kính b không vượt 1 qua được độ cong của quả đất, trường hợp này phải dùng phương thức sóng trời - truyền sóng dài ổn định vì khi dùng sóng trời lớp D và E ổn định, hiện tượng Phađinh không đáng kể - sóng suy giảm nhanh vì các tia sóng có bán kính cong nhỏ hơn b sẽ bị cản nhiều suy 1 giảm nhanh cự li thông tin bị ngắn nhiều so với lí tưởng 7.2 : BĂNG SÓNG TRUNG 1. Phương thức truyền - với cự li 500  700 km truyền theo kiểu sóng đất với 1 cự li 700 km không truyền theo kiểu nhiễu xạ được, thì   do đó truyền theo kiểu sóng trời thì sóng trung phản xạ tốt nhất st sd ở lớp E và F 1 + ban ngày sóng trung phản xạ ở lớp E và F và phải đi qua lớp D do đó sóng bị hấp thụ 1 nhiều + ban đêm lớp D mất, năng lượng sóng giảm mới bị hấp thụ do đó E ban đêm lớn hơn ban h ngày và ban ngày lớp D tăng hấp thụ ( E : hiệu dụng của cường độ điện trường_ h 2. Hiện tượng Phađing sóng trung (với cự li thông tin gần) - hiện tượng Phađinh là hiện tượng cường độ điện trường tại điểm thu thay đổi bất thường theo thời gian, lúc giảm lúc tăng có khi còn bằng 0 * Biện pháp chống Phađinh - dùng mạch tự điều chỉnh hệ số khếch đại cho máy thu - dùng anten phát có độ định hướng cao, có góc búp hướng nhỏ 7.3 : BĂNG SÓNG NGẮN  = (10  100) m f = (3  30) MHz 1. Phương thức truyền sóng - theo phương thức sóng đất với công suất phát trung bình chỉ đạt được cự li vài chục km, vì  nhỏ nên khả năng nhiễu xạ kém - theo phương thức sóng trời đạt được cự li thông tin xa, sóng ngắn phải phản xạ từ lớp F 2 2. Điều kiện truyền sóng trời băng sóng ngắn - điều kiện có phản xạ : N theo điều kiện truyền sóng sin 1 80.8 n 0 f 2 23
24. - điều kiện về sự hấp thụ năng lượng trong tầng điện li thường chọn bước sóng : - ban ngày  =10 35 m lv - ban đêm  =35 100 m lv 3. Đặc điểm truyền sóng a. Hiện tượng Phađinh sóng ngắn Dùng anten mà máy thu phân tập (tập 2 6 anten ở những vị trí khác nhau và cách nhau một khoảng 1, tại tất cả các vị trí đó trong cùng một thời điểm, thế nào cũng có một anten thu được lớn nhất Máy thu sẽ có bộ phận chọn lọc tín hiệu từ anten nào cảm nhận được cường độ điện trường Emax - dùng phương pháp thông tin vệ tinh, các sóng đến máy thu có cùng quãng đường đi b. Hiện tượng vùng im lặng c. Ảnh hưởng của hoạt động mặt trời lên sự truyền sóng ngắn Câu hỏi ôn tập chương 7 : 1. Đặc điểm truyền lan các dải sóng dài, trung. 2. Đặc điểm truyền lan các dải sóng ngắn 24