Đồ án Thiết kế mô hình thông tin vô tuyến chuyển tiếp sóng cực ngắn

ra các phân tử trung hòa làm cho mật độ điện tử giảm. Hai hiện tượng xảy ra đồng thời với nhau dẫn đến mật độ điện tử đi về trạng thái ổn định → hình thành các lớp có mật độ điện tử khác nhau. Nguyên nhân ion hóa các chất khí ở độ cao lớn. Quá trình ion hóa tức là làm tách ra khỏi lớp vỏ ngoài của nguyên tử một hay một vài điện tử. Nguyên tử mất cân bằng về điện và nó sẽ mang điện tích. Những điện tử nằm ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử chịu một sức hút của hạt nhân nên để tách nó ra cần phải thực hiện một công nhất định, gọi là công ion hóa. Đối với các chất khí trong thành phần khí quyển công ion hóa được cho ở bảng 3.3 : Bảng 3.3: Công ion hóa của một số chất khí Chất khí O2 O N2 N He Hr H Công ion hóa W(Ev) 12,50 13,55 15,50 14,50 24,46 15,40 13,53 Bước sóng ion hóa λ(Å) 990 910 860 850 500 850 910 Có hai dạng ion hóa là ion hóa do quang học (hấp thụ bức xạ quang của mặt trời) và ion hóa do va chạm (các hạt chuyển động có động năng lớn khi va chạm với nguyên tử hay phân tử sẽ giải phóng ra các điện tử). Nguồn gốc chủ yếu của cả hai dạng ion hóa này là bức xạ mặt trời. Bình thường, bức xạ của mặt trời bao gồm cả bức xạ quang lẫn bức xạ hạt. Bức xạ quang của mặt trời sẽ gây ra quang hóa, còn bức xạ hạt, một mặt có thể gây ion hóa do va chạm; mặt khác, bản thân các điện tử phát ra từ mặt trời sẽ tăng cường thêm mật độ điện tử cho tầng điện ly. Các nguyên nhân ion hóa chất khí ở độ cao lớn như sau: Bức xạ quang của mặt trời. Đây là nguyên nhân có tác động lớn nhất đến quá trình hình thành tầng điện ly. Mặt trời với nhiệt độ khoảng 6000oC và bức xạ sóng điện từ, những tia bức xạ có năng lượng lượng tử lớn hơn công ion hóa thì sẽ gây ion hóa chất khí. Nghĩa là để ion hóa một chất khí nào đó có công ion hóa W thì tia bức xạ phải có : ћw ≥W. Trong đó : W=2Πf là tần số góc của tia bức xạ tác dụng lên chất khí. ћ = = 1.05 .10-27 (ec-giây) Bức xạ hạt của mặt trời. Bên cạnh bức xạ quang, mặt trời còn phát ra các dòng hạt gồm các điện tử, ion dương và các trung hòa tử, trong đó chủ yếu là các điện tử. Những hạt có động năng lớn khi bắn vào các nguyên tử hay phân tử sẽ giải phóng các điện tử làm cho chúng bị ion hóa. Điều kiện để ion hóa do va chạm được biểu thị bằng công thức : m1 v12 /2 >W Trong đó : m1 và v1 là khối lượng và tốc độ của hạt chuyển động. Qua tính toán người ta cho biết rằng nếu hạt có khối lượng của điện tử thì muốn ion hóa được chất khí nó cần có tốc độ v1 > 2000km/s. Bức xạ của các vì sao. Bên cạnh bức xạ mặt trời, các vì sao cũng là những nguồn ion hóa. Một số vì sao có nhiệt độ khoảng 200000K nên có bức xạ tia tử ngoại khá mạnh. Nhưng do chúng ở quá xa trái đất nên tác dụng ion hóa của chúng đối với khí quyển trái đất chỉ hạn chế, chỉ vào khoảng phần nghìn tác dụng bức xạ của mặt trời, nhưng đó là nguồn tạo ra lớp ion hóa ở các miền cực và nó có tác dụng chủ yếu vào mùa đông. Chuyển động của các thiên thạch. Các thiên thạch khi rơi vào vùng khí quyển trái đất, do có tốc độ rất cao(11km/s → 73km/s) chúng bị ma sát và bốc cháy, vật chất của thiên thạch bốc hơi, những nguyên tử của chất ấy sẽ có vận tốc rất cao và cũng là một nguyên nhân có thể ion hóa khí quyển xung quanh vùng chúng va chạm. Qua nghiên cứu người ta cho rằng, sự xuất hiện của thiên thạch là rất ngắn, các hạt rất nhỏ. Ra đa quan sát số lượng thiên thạch rơi vào khí quyển trái đất cho thấy rằng mỗi giây có khoảng 1 hạt có khối lượng 1gr, 10 hạt có khối lượng 10-1 gr, 100 hạt có khối lượng 10-2 gr ; 103 hạt(10-3 gr) ; 104 hạt(10-4 gr) ; 105 hạt( 10-5 gr). Để nói lên tác động ion hóa của các nguyên nhân đã tạo nên tầng điện ly, qua nghiên cứu, thực nghiệm, quan sát, người ta đã lập một bảng chỉ khái niệm các nguyên nhân ion hóa ở bảng 3.4 như sau : Bảng 3.4: Các nguyên nhân ion hóa Nguồn ion hóa Độ cao (Km) Cường độ ion hóa (điện tử/cm3) Bức xạ tia tử ngoại 100 250 250 800 Bức xạ tia Rơn ghen 100 250 Các vì sao 250 1 Tia vũ trụ 100 10-5 Bức xạ hạt của mặt trời - Chưa đánh giá Bụi vũ trụ - Chưa đánh giá 3.2.2.Các nguyên nhân hình thành nên các lớp – Đặc điểm của các lớp trong tầng điện ly. 3.2.2.1.Nguyên nhân: Do phân bố của áp suất, nhiệt độ không đều theo độ cao. - Lớp thấp nhất nhiệt độ bé, năng lượng để các phân tử phân li bé, áp suất lớn, tần số va chạm lớn nên tái hợp nhanh và có mật độ điện tử bé. - Lớp cao nhất nhiệt độ lớn, áp suất nhỏ, mật độ chất khí ít nên mật độ điện tử trong đó bé. Ở lớp có áp suất đủ lớn và nhiệt độ lớn thì mật độ điện tử lớn. - Do phân bố không đều theo độ cao. Năng lượng để cho phân ly khác nhau, xuất hiện, hình thành các lớp khác nhau. 3.2.2.2.Đặc điểm các lớp trong tầng điện ly. D E F N Hình 3.13: Các lớp trong tầng điện ly - Lớp D : Là lớp thấp nhất của tầng điện ly. Việc nghiên cứu lớp này tương đối khó vì không thể dùng phương pháp thăm dò vô tuyến điện thông thường. Để khảo sát ta thường dùng phương pháp gián tiếp nghĩa là thông qua việc đánh giá sự truyền lan của sóng dài để xác định được đặc điểm của lớp. Các số liệu thông thường như sau: Chiều cao từ 60÷90km. Mật độ điện tử : Ne =102 ÷ 103(e/cm3) . Lớp D chỉ tồn tại vào ban ngày, ban đêm biến mất vì ban ngày năng lượng bức xạ của mặt trời lớp D được phân ly. Khi hết bức xạ ánh sáng mặt trời thì lớp D có áp suất lớn, tần số va chạm f lớn (=1÷2MHz) do đó, tái hợp nhanh, Ne →0 , nằm trong dải sóng trung nên khi tồn tại lớp D năng lượng của không trung cung cấp cho các điện tử, ion va chạm còn phản xạ về mặt đất. Do vậy không truyền lan sóng trung được vào ban ngày. Các công trình nghiên cứu trong những năm gần đây cho biết, ở độ cao của lớp D, cấu tạo của tầng điện ly rất không đồng nhất và nó có caaus trúc như các đám mây. Mật độ điện tử trong từng phần của tầng điện ly có thể khác nhiều so với giá trị trung bình của chúng. Nguyên nhân của cấu tạo không đồng nhất là do các dòng chuyển động xoáy cảu chất khí do gió gây ra. Sự không đồng nhất nêu ở trên có thể gây hiệu ứng khuếch tán sóng, giống như sự khuếch tán khi truyền sóng trong tầng đối lưu. Lớp E : là lớp đầu tiên quan sát được bằng sóng vô tuyến điện. Các số liệu thông thường như sau: Có độ cao từ 90÷120km. Mật độ điện tử Ne =104÷105(e/cm3). Lớp E là lớp tương đối ổn định nhất về cả độ cao cũng như mật độ điện tử, ít chịu ảnh hưởng của các nhiễu loạn làm ảnh hưởng đến thông tin vô tuyến điện. Do vậy ở đoạn đầu sóng ngắn f< 10MHz được sử dụng lớp E phản xạ. Đặc điểm : Mật độ điện tử của lớp E có đặc tính biến đổi theo mùa rõ rệt, nó đạt được cực đại vào mùa hạ và cực tiểu vào mùa đông. Vào ban ngày mật độ điện tử lớn hơn vào ban đêm. Trong 1 ngày mật độ điện tử cao nhất là vào lúc 12÷14h và thấp nhất là vào 1 ÷ 4h . - Lớp F: độ cao 200÷400km. Mật độ điện tử Ne = 5.104 ÷ 106 (e/cm3). Lớp F là lớp không ổn định về cả độ cao cũng như mật độ điện tử. Diễn biến ngày và mùa của mật độ điện tử lớp F phức tạp hơn lớp E rất nhiều. Ban ngày lớp F chia làm 2 lớp : (200÷280km).Mật độ điện tử Ne = 5.104 ÷ 5.105 (e/cm3) (300÷400km).Mật độ điện tử Ne = 105 ÷ 106 (e/cm3) Ban đêm có độ cao tăng và có độ cao giảm thành F có độ cao h= 260÷340km. Mật độ điện tử Ne = 104 ÷ 105 (e/cm3). Lớp F1 : các đặc điểm của lớp này gần giống với lớp E. Lớp F2 : là lớp rất không ổn định. Ngay trong những ngày yên tĩnh nhất, mật độ điện tử cũng biến đổi từ 10 -15% so với trị số trung bình. Cùng với sự biến đổi mật độ điện tử thì chiều cao cũng biến đổi khá nhiều. Phân bố theo địa lí của mật độ điện tử lớp F2 không những có sự phụ thuộc vào vĩ độ mà còn phụ thuộc cả vào kinh độ và có liên quan đến vĩ độ từ. Đặc điểm này có thể được giải thích bởi sự ion hóa lớp F2 không phải chỉ gây ra do bức xạ quang của mặt trời mà còn do cả bức xạ hạt. Lớp F có Ne lớn dù độ cao h không ổn định nhưng vẫn khai thác để phản xạ đoạn tần số cao của sóng ngắn từ 10÷30MHz. Lớp F là lớp đóng vai trò chủ yếu trong việc phản xạ sóng ngắn và có một số tầm quan trọng đặc biệt đối với thông tin vô tuyến điện. Ngoài ra còn có lớp bất thường Es. Trong tầng điện ly, bên cạnh các lớp điều hòa, tồn tại và biến đổi theo các qui luật tương đối xác định ta còn thấy xuất hiện các lớp bất thường. Lớp bất thường phổ biến hơn cả là loại xuất hiện ở độ cao 90 ÷ 120 km, tức là độ cao lớp E nên gọi là Es. Những lớp này có cấu tạo như những đám mây điện tử tụ tập trong một miền hẹp, và có thể dịch chuyển với vận tốc khoảng 150 - 250 km/h. Mật độ điện tử của lớp Es có thể cao hơn lớp E, nhiều khi cao hơn cả lớp F. Vì vậy, trong những trường hợp thuận lợi nó có khả năng phản xạ cả những sóng có tần số rất cao. 3.2.2.3.Đặc tính chung của lớp Es. Tính chất bất thường theo thời gian. Sự xuất hiện của Es không thường xuyên, đều đặn. Vì vậy, tất cả các quy luật của nó chỉ có tính chất thống kê. Ở một thời gian nào đó, ta chỉ có thể nói đến xác suất xuất hiện của nó mà thôi. Xác suất xuất hiện của lớp Es có tần số giới hạn vượt quá một trị số nào đấy, tại các thời gian khác nhau được cho bởi các biểu đồ dự báo. Xác suất xuất hiện của Es cũng biến đổi theo giờ trong ngày và theo mùa. Thời gian xuất hiện của lớp Es có thể từ vài phút đến vài giờ. Tính chất bất thường theo không gian. Lớp Es không chỉ có tính chất “bất thường” theo thời gian mà còn theo cả phân bố không gian. Thường gặp trường hợp khi ở một vị trí này xuất hiện Es với cường độ mạnh, phản xạ được những tần số rất cao thì ở cách nó độ vài trăm km, cũng thời gian đó hoàn toàn không thấy Es xuất hiện. Phụ thuộc vào vĩ độ địa lý. Ở các vĩ độ Nam, thường thấy xuất hiện Es vào các giờ ban ngày. Ở miền xích đạo, quan sát thấy Es gần như thường xuyên. Ở các vĩ độ trung bình (miền ôn đới) về mùa hạ, thường thấy Es xuất hiện khoảng 50 -70% thời gian, nghĩa là từ 15- 20 ngày trong một tháng, còn về mùa đông rất hiếm. Cấu tạo của lớp Es không phải là một miền đồng nhất mà nó có dạng mắt lưới, nghĩa là có những khu vực tập trung mật độ điện tử và những khoảng trống. Vì vậy, đối với sóng vô tuyến điện nó không phải là một màn chắn như các lớp ion khác mà nó là một màn chắn không hoàn toàn, vừa có thể phản xạ với tần số rất cao, vừa có thể để một phần lớn năng lượng của sóng đi qua. Vì vậy, trong trường hợp sử dụng lớp Es để liên lạc, yêu cầu công suất của máy phát cũng lớn hơn so với dùng các lớp thông thường. c.Hệ số điện môi trong tầng điện ly. Hệ số điện môi (ε) trong tầng điện ly ngoài chất khí còn có các e và các ion. (3.23) Độ điện dẫn phụ thuộc Ne (người ta chứng minh được → bán dẫn điện, tính chất môi trường phụ thuộc Ne) Để truyền sóng tầng điện ly, lúc này sóng được phản xạ từ tầng điện ly. Để phản xạ từ tầng điện ly là lớp có Ne khác nhau. 3.2.3.Đặc điểm truyền sóng tầng điện ly. Ảnh hưởng của tầng điện ly đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện. 3.2.3.1.Đặc điểm truyền sóng tầng điện ly. Nguyên lý truyền sóng gần giống truyền sóng siêu khúc xạ nghĩa là như tính chất phản xạ liên tục, sóng đi xa tần số phát (fphát) bé nhưng ổn định hơn so với siêu khúc xạ vì các lớp trong tầng điện ly luôn luôn tồn tại. Khi truyền sóng trong tầng điện ly luôn tồn tại 1 vùng im lặng (vùng câm). Nguyên nhân do xuất hiên một vùng mà sóng đất, sóng bề mặt không đi tới, sóng tầng điện ly phản xạ về vượt quá. Khi truyền sóng trong tầng điện ly có hiện tượng pha đinh lớn. Pha đinh định nghĩa là cường độ trường tại điểm thu bị thay đổi theo thời gian. - Pha đinh nhanh : pha đinh xảy ra có tính chất tức thời ,không có qui luật thường có độ sâu lớn, tỷ số lớn → khó khắc phục. - Pha đinh chậm : pha đinh xảy ra có tính chất chu kỳ theo ngày, theo mùa, theo năm, theo chu kỳ hoạt động của mặt trời. Truyền sóng tầng điện ly nguyên nhân gây nên pha đinh. Ne luôn luôn thay đổi, điểm phản xạ thay đổi, cường độ trường E tại điểm thu thay đổi. Do giao thoa của nhiều tia cùng đến điểm thu có số lần phản xạ khác nhau. Do tán xạ của sóng ở tầng điện ly, một tia sóng lên đến tầng điện ly sau khi phản xạ về tạo thành một chùm tia tại điểm thu được giao thoa của nhiều chùm tia → thay đổi. Tán xạ mặt đất: do mặt đất không phẳng nên tại điểm thu giao thoa tia tán xạ và tia tới trực tiếp. Do đó, thay đổi. 3.2.3.2.Phương thức truyền sóng trời( sóng tầng điện ly ) Do tầng điện ly là tầng bán dẫn điện nên người ta dùng nó như một lớp phản xạ để truyền sóng đi xa. Đây là phương thức tiện lợi nhưng không phổ biến. Trong phương thức truyền sóng này,người ta thường thông tin trong khoảng thời gian ngắn và cố định trong ngày, hoặc thay đổi theo tần số công tác, phương thức thông tin này thường có cự ly thông tin rất xa tới hàng ngàn Km. Trong thông tin tầng điện ly, thường hay gặp hiện tượng pha đinh vì thông tin trong tầng điện ly thường sử dụng sóng ngắn nên gọi là hiện tượng pha đinh sóng ngắn. Ngoài ra còn gặp các hiện tượng : Hiện tượng hồi âm sóng Hiện tượng được giải thích như sau : trong những ngày thời tiết tốt , sóng truyền đi theo phương thức phản xạ tầng điện ly sẽ được truyền đi rất xa nhờ hiện tượng “ống dẫn sóng”. Sóng truyền đi theo phương thức này có thể tham gia truyền một vòng, thậm chí nhiều vòng. Nếu hiện tượng sóng dội đúng ở điểm thu thì ta sẽ có hiện tượng hồi âm (hiện tượng tia sóng đi được hai lần tia sóng vòng quanh trái đất khoảng 0,1s). Hiện tượng miền im lặng Trong thông tin sóng ngắn, khi bước sóng nhỏ hơn 50m, đài phát trung bình sử dụng hai phương thức truyền sóng : phương thức truyền sóng tầng điện ly và phương thức truyền sóng đất. Người ta quan sát được như sau : Miền câm A B Thu tốt Hình 3.14: Hiện tượng miền im lặng Lúc đầu thu tốt (từ A→B), sau đó không thu được, từ vị trí (B→C), sau điểm C trở đi lại thu tốt đến hàng ngàn Km. Hiện tượng nội phản xạ. Do mật độ điện tích trong tầng điện ly không thay đổi một cách nhảy vọt nên chiết suất khí quyển của tầng điện ly bị khúc xạ uốn cong rồi mới bị phản xạ xuống mặt đất. Hiện tượng một tia sóng không bị phản xạ ngay ở lớp bề mặt tầng điện ly mà phản xạ lại ở vị trí nằm sâu trong lớp được gọi là hiện tượng nội phản xạ. Để xác định việc này người ta làm bằng các như sau: chia tầng điện ly thành nhiều lớp sử dụng (lớp D, lớp E thành nhiều lớp mỏng), sao cho trong mỗi lớp không khí mật độ điện tích được coi là đồng đều. Ta có : (*) φ1 φ2 φn=900 θ0 θ1 θ2 Hình 3.15: Hiện tượng tới hạn xảy ra phản xạ Trong đó : f là tần số làm việc của máy phát Ne là mật độ điện tích lớp phản xạ Công thức (*) cho ta thấy góc tới hạn (hiện tượng tới hạn xảy ra phản xạ ) cho phép tia sáng phản xạ quay lại trái đất. Góc tới hạn phụ thuộc vào mật độ điện tích lớp phản xạ và tần số làm việc của máy phát. Những tia sóng đi tới lớp điện ly có góc tới hạn đều không phản xạ lại trái đất. Lúc đó tầng điện ly được coi là môi trường trong suốt. Lớp sử dụng Lớp D A B Ogh Rõ ràng với quan niệm góc tới hạn ở trên thì AC sẽ là cự ly thông tin nhanh nhất có thể có được đối với phương thức truyền sóng. Điều này giúp ta giải thích miền im lặng. A B C Hình 3.16: Giải thích hiện tượng miền im lặng AB trong hình vẽ chính là bán kính tối đa khi ta sử dụng phương thức truyền sóng đất, bán kính này là 100km đối với đài phát có công suất trung bình, sử dụng bước sóng λ < 50m. Còn bán kính ngoài của miền im lặng (BC) vẽ trên là cự ly thông tin ngắn nhất có thể có trong phương thức truyền sóng tầng điện ly. 3.3.Truyền sóng của các dải sóng. 3.3.1.Truyền sóng dài và sóng trung. 3.3.1.1.Đặc điểm truyền lan của sóng dài. Sóng dài là những sóng vô tuyến điện có bước sóng λ nằm trong khoảng từ 1Km → 10 Km, với những sóng có bước sóng lớm hơn 10km được gọi là những sóng cực dài. Trong quá trình truyền lan trên bề mặt trái đất, sóng dài ít bị hấp thụ vì mặt đất được coi là có tính dẫn điện tốt. Trong quá trình truyền lan, sóng bám theo độ cong của mặt đất theo phương thức nhiễu xạ và truyền đi được khá xa. Dựa vào đặc điểm trên mà khi cần người ta có thể sử dụng phương thức này để truyền tin đi ở những cự ly xa hàng ngàn km. Trong quá trình tính toán đường truyền, ở những cự ly ngắn khoảng 500km đến 600km ta có thể áp dụng công thức Sulay kin - Vander Pol. Nếu truyền ở cự ly xa hơn từ 600km đến 3000km thì cần thiết phải tính toán đến hiện tượng nhiễu xạ. Với những cự ly trên 3000km, phải truyền sóng với phương thức phản xạ qua tầng điện ly. 3.3.1.2.Đặc điểm truyền lan của sóng trung. Sóng trung là những sóng có bước λ nằm trong khoảng từ 100m đến 1000m (tương ứng f=3MHz →300KHz). Sóng trung được ứng dụng chủ yếu trong phát thanh, nó có thể truyền lan bằng sóng đất cũng như sóng tầng điện ly. Để đơn giản hơn người ta gọi là sóng trời. Với cự ly thông tin nhỏ ,khoảng 500 đến 600km có thể áp dụng công thức Sulay kin - Vander Pol để tính cường độ trường. Trong khảo sát thực nghiệm, người ta cho biết rằng cự ly truyền lan của sóng trung bằng cự ly truyền lan của sóng đất và không vượt quá 700km. Để tìm hiểu về sóng trung người ta đã đưa ra những đặc điểm chủ yếu như sau : Sự biến đổi điều kiện truyền sóng về ban đêm,ban ngày. Ban đêm sóng trung truyền lan bằng phản xạ lớp E. Do lớp E có mật độ điện tử tương đối lớn nên có thể phản xạ tốt. Vì vậy, với sóng trung về ban đêm có thể truyền lan bằng cả hai phương thức sóng đất và sóng trời. Ban ngày, do sự xuất hiện của lớp D là lớp có mật độ điện tử nhỏ, vì vậy sóng khó phản xạ được mà lại bị hấp thụ rất mạnh. Do vậy, để truyền sóng có hiệu quả về ban ngày người ta sử dụng phương thức truyền lan sóng đất. Hiện tượng pha đinh của sóng trung. Như đã nói ở trên, về đêm sóng trung có thể truyền lan bằng cả hai phương thức sóng đất và sóng trời. Hiện tượng sự giao thoa giữa sóng đất và sóng trời tại điểm thu được gọi là pha đinh. 2 2' 1 1 Tia 1 đi nhanh hơn tia 2 do chỉ phản xạ một lần Giải thích hiện tượng này, qua khảo sát người ta thấy rằng : do mật độ điện tử của tầng điện ly thay đổi luôn nên chiều cao phản xạ của sóng cũng thay đổi, dẫn đến máy thu cũng không đều nhau. Kết quả của sự thay đổi ấy làm cường độ trường tại điểm thu thay đổi, do vậy tín hiệu lúc to, lúc nhỏ. Đó chính là hiện tượng pha đinh. Hình 3.17:Hiện tượng pha đinh của sóng trung Để chống hiện tượng pha đinh, người ta thường dùng anten có khả năng bức xạ năng lượng tập trung mạnh theo hướng mặt đất, với hướng của anten như trên, thành phần sóng trời sẽ giảm còn thành phần sóng đất sẽ tăng. Do vậy, giảm bớt sự giao thoa giữa sóng trời và sóng đất. 3.3.2.Sóng ngắn. 3.3.2.1.Những đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn. Những sóng vô tuyến điện có bước sóng từ 100m đến 10m (ứng với tần số từ 3 →30MHz) được gọi là sóng ngắn. Sóng ngắn cũng có thể truyền lan bằng cả hai phương thức sóng đất và sóng phản xạ qua tầng điện ly. Đối với sóng ngắn, khả năng truyền xa bị hạn chế do hấp thụ của mặt đất, khi tần số tăng thì sự hấp thụ của mặt đất đối với sóng đất tăng. Với máy phát trung bình chỉ có thể thiết lập được một kênh thông tin cự ly khoảng vài chục km với sóng đất. Nếu cần lập một kênh thông tin cự ly xa hơn ta phải thực hiện truyền bằng phương thức sóng tầng điện ly. Khi đó chỉ cần dùng máy phát cỡ trung bình cũng có thể thông tin được với những cự ly rất xa, tới hàng nghìn km. Sóng ngắn được áp dụng trong thông tin phát thanh cự ly lớn một cách rất rộng rãi và hiệu quả. So với việc sử dụng sóng dài và sóng trung, sử dụng sóng ngắn có những ưu điểm sau : Có thể dùng anten có hướng tính cao, do vậy tiết kiệm được công suất phát. Sự hấp thụ tầng điện ly (lớp D ) nhỏ hơn sóng trung. Những đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn cần nghiên cứu gồm : a.Khoảng tần số công tác. Khi thiết kế đường truyền cho một kênh thông tin cự ly lớn, người ta thường dùng sóng ngắn phản xạ lớp F. Như vậy, trên đường đi sóng phải xuyên qua các lớp D, E và chịu sự hấp thụ của các lớp này. Để có thể thu được sóng ở một cự ly nhất định xa đài phát, cần phải thực hiện các điều kiện : Sóng phải phản xạ được trên tầng điện ly, tức là phải thực hiện được điều kiện phản xạ. Cường độ trường điểm thu phải đủ lớn, nghĩa là sóng không bị hấp thụ nhiều bởi tầng điện ly. 4 F E D 1 3 2 3' B C A D Hình 3.18: Các lớp phản xạ Hai điều kiện trên cho thấy dải tần số công tác được quy định một cách giới hạn. Để sóng có thể phản xạ được tần số làm việc của đài phát không được cao quá. Điều kiện thứ nhất qui định giới hạn trên của dải tần công tác, điều kiện thứ hai qui định giới hạn dưới của tần số công tác. Ứng với điều kiện cho trước của một kênh thông tin như công suất máy phát, góc tới của sóng, tần số thấp nhất để khi sóng phản xạ trên tầng điện ly khi trở về anten máy thu vẫn còn đủ lớn để làm việc gọi là tần số sử dụng thấp nhất. Vì mật độ điện tử của tầng điện ly biến đổi theo thời gian ngày, đêm nên giới hạn của dải tần số công tác cũng biến đổi theo thời gian ngày, đêm. Ban ngày, mật độ điện tử của các lớp được tăng cường. Sự tăng cường mật độ điện tử ở các lớp thấp sẽ làm tăng hấp thụ đối với sóng ngắn. Vì vậy, giới hạn dưới của dải tần phải được nâng cao lên. Mặt khác, do mật độ điện tử của lớp F được tăng cường nên tần số cực đại cũng được tăng cao. Ngược lại, ban đêm do mật độ điện tử ở các lớp giảm nhỏ nên tần số cực đại giảm nhỏ và vì mật độ điện tử giảm, hấp thụ giảm nên tần số thấp nhất cũng có thể giảm theo. Trong thực tế sử dụng người ta thường chọn bước sóng công tác cho máy phát có bước sóng như sau : Ban ngày : λ = 10 ÷35m. Ban đêm : λ = 35 ÷ 100m. b.Miền im lặng. Khi thông tin sóng ngắn, trong quá trình khảo sát người ta thấy hiện tượng sau : khi dịch chuyển điểm thu xa dần đài phát, đến một cự ly nào đó thì không thu được (với những sóng có bước sóng ngắn hơn 50m, cự ly này vào khoảng 100km). Nếu cứ dịch chuyển xa nữa thì lại thu được cho đến một cự ly rất xa, vài ngàn km. Vùng bán kính trong đó tín hiệu bị mất, không thu được chính là “miền im lặng”. Sự xuất hiện miền im lặng đã được giải thích ở mục “ảnh hưởng của tầng điện ly đến quá trình truyền sóng ngắn” c.Hiện tượng pha đinh sóng ngắn. Trong quá trình thu sóng ngắn, ta thường thấy có hiện tượng lúc thu to, lúc nghe rất yếu và có lúc lặng hẳn tín hiệu một cách thất thường. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng “pha đinh”. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự giao thoa giữa các sóng trời chuyển tới điểm thu bằng những điểm khác nhau. Tín hiệu sóng tới điểm thu, sóng có thể phản xạ một hoặc nhiều lần (hình 3.19 a), chính sự phản xạ khác nhau này sẽ làm quãng đường đi của sóng thay đổi dài ngắn khác nhau. Sự biến đổi liên tục mật độ điện tử của tầng điện ly sẽ dẫn đến sự biến đổi độ dài đường đi của các tia sáng, do đó làm biến đổi hiệu số pha giữa chúng. Người ta đã chứng minh được rằng, độ dài của hai tia khác nhau một đoạn 0,5λ (5÷ 50m với sóng ngắn), thì pha của chúng khác nhau 1800. 2' 1 2 A B A B (b) (a) Hình 3.19: Hiện tượng pha đinh sóng ngắn Ngoài ra ,hiện tượng pha đinh còn xảy ra do sự giao thoa của những tia nằm trong chùm khuếch tán khác nhau (hình 3.19 b). Do cấu tạo của tầng điện ly không đồng nhất, một tia đơn có thể sẽ bị khuếch tán thành một chùm tia. Vì vậy, ở điểm thu có thể nhận được những tia trong chùm tia khuếch tán của những tia đơn khác nhau và sự giao thoa giữa chúng với góc pha biến đổi cũng là hiện tượng pha đinh. Để khắc phục hiện tượng pha đinh ,người ta có nhiều biện pháp khác nhau : - Có thể dùng anten thu với đồ thị phương hướng thật hẹp và sẽ định hướng như thế nào đó để nó chỉ thu được một tia sóng tới. Nhưng vì góc tới của sóng biến đổi luôn theo thời gian ngày, đêm nên cần phải xem xét đến khả nảng biến đổi hướng cực đại của đồ thị phương hướng của anten. Anten như vậy sẽ rất phức tạp và cồng kềnh. - Phương pháp dùng anten phân tập, hình thức đặt nhiều anten thu phát cách xa nhau một khoảng nào đó để cùng thu một tần số. Hay dùng nhiều anten phát đặt cách xa nhau để cùng phát một tín hiệu cùng tần số. Ta có thể hiểu là dùng nhiều anten thu (hoặc phát) phân tán tín hiệu rồi xử lý tập trung tại một chỗ. Đó chính là nguyên tắc phân tập tần số (nghĩa là thu phân tán và xử lý tập trung). d.Hồi âm sóng. Với những điều kiện thuận lợi, sóng ngắn có thể truyền lan đi rất xa bằng cách phản xạ nhiều lần giữa tầng điện ly và mặt đất. Đôi khi sóng có thể truyền lan vòng quanh trái đất một hoặc nhiều lần. Vì vậy, ở điểm thu ngoài việc thu được một tín hiệu chính ta còn nhận được tín hiệu đến chậm. Đó chính là tín hiệu gây hiện tượng hồi âm. Tín hiệu hồi âm có hai dạng : hồi âm thuận và hồi âm nghịch. - Hồi âm thuận (hình 3.20 a) là sóng đi theo đường truyền lan thuận có nghĩa là sau khi đi qua điểm thu, sóng tiếp tục phản xạ đủ một vòng nữa và lại gặp điểm thu (khoảng 0,1s). - Hồi âm nghị