Langbiang: Wireless Network_4_Lịch sử sóng điện từ

Chương 2. Tần số vô tuyến và anten

Nội dung

o Lịch sử của sóng điện từ

o Cơ bản về sóng điện từ

o Các đặc trưng của tần số vô tuyến

o Các hiện tượng xảy ra (behavior) khi truyền tần số vô tuyến

o Một số đại lượng vật lý liên quan đến tần số vô tuyến

o Tín hiệu tần số vô tuyến và anten

Để truyền thông không dây, phải sử dụng một trong hai phương tiện chủ yếu là sóng âm và sóng điện từ. Khi hai người giao tiếp với nhau, sóng âm sẽ được truyền qua môi trường không khí, sẽ được nhận và phiên dịch tại tai của người nhận. Hình thức truyền thông bằng sóng âm là hình thức cổ xưa nhất của truyền thông không dây.

Tuy nhiên, việc sử dụng sóng âm trong truyền thông ở khoảng cách xa sẽ không hiệu quả, do hiện tượng nhiễu trong dải sóng âm rất lớn và cần nhiều năng lượng để truyền sóng âm đi xa.

Sóng điện từ chính là giải pháp thay thế cho sóng âm, sóng điện từ được phân chia theo các tần số khác nhau và cần ít năng lượng để truyền thông trong phạm vi rộng.

Lịch sử sóng điện từ

[Mối quan tâm và sự mê hoặc của loài người với từ học và điện học đã có cách nay ít nhất là 2600 năm, khoảng năm 600 tCN. Đó là lúc, xưa như chúng ta biết, những người Hi Lạp cổ đại lần đầu tiên đề cập đến những tính chất bí ẩn. Nhà triết học Thales xứ Miletus đã quan sát thấy hổ phách, khi cọ xát, hút được lông chim và những chất liệu nhẹ khác. Ông cũng để ý thấy đá nam châm (magnetite) có thể hút được sắt.

Năm 1746, Johann Heinrich Winckler, một giáo sư Đại học Leipzig, cố gắng khai thác điện để truyền điện báo qua những khoảng cách dài.

Năm 1750, John Michell, nhà địa lý người Anh, xuất bản cuốn Chuyên luận về nam châm nhân tạo, mô tả cách thức chế tạo các nam châm thép mạnh và đưa ra một lời giải thích của khám phá của ông về định luật nghịch đảo bình phương cho lực hút và lực đẩy của các nam châm.

Năm 1802, tại Italy, Gian Domenico Romagnosi phát hiện ra một mối liên quan giữa điện và từ khi ông quan sát thấy một cột volta làm lệch một kim từ tính. Lời giải thích cho khám phá của ông xuất hiện trên một tờ báo Italy nhưng không được đa số cộng đồng khoa học chú ý tới.

Một cách tình cờ sau bước chân của nhà triết học Italy Gian Domenico Romagnosi, Hans Christian Ørsted trở thành nhà khoa học thứ 2 phát hiện ra mối tương quan của điện và từ. Tháng 4 năm 1820, nhà vật lí và hóa học người Đan Mạch, theo thuật lại, trong khi giảng bài về điện ông chú ý thấy kim của một la bàn gần đó tự sắp nó vuông góc với một dây dẫn mang dòng điện. Nghiên cứu sau đó của ông không đưa đến tận cùng của cái ông đã nhìn thấy, nhưng ông sớm công bố khám phá của ông trước thế giới, lần này đã hiểu được tầm quan trọng của nó. Thật vậy, tin tức của Ørsted đã gây ra một cơn chấn động trong cộng đồng khoa học, cho ra đời lĩnh vực điện từ học và đặt nền tảng cho đột phá mang tính lịch sử của Michael Faraday và James Clerk Maxwell sau này trong cùng thế kỉ.

Năm 1820, nhà toán học André – Marie Ampère, chỉ một tuần sau khám phá của Ørsted đã bắt đầu phát triển một lí thuyết nhằm giải thích hiện tượng và chứng minh rằng các dây dẫn song song, với dòng điện chạy qua, sẽ hút lẫn nhau khi các dòng điện chạy cùng chiều, nhưng xẽ đẩy nhau nếu chúng chạy ngược chiều nhau.

Năm 1820, dây dựng trên nghiên cứu của Ørsted, nhà vật lí Pháp François Arago tìm thấy mạt sắt không bị từ hóa tự định hướng theo một vòng tròn xung quanh một dây đồng có dòng điện chạy qua như thể nó là một nam châm, nhưng sẽ phân tán ra khi dòng điện mất đi.

Năm 1820, nhà toán học và vật lí Đức Johann Schweigger chế tạo cái ông gọi là bộ nhân điện có thể khuếch đại đáng kể từ tính của một mạch điện. Bộ nhân Schweigger trở thành dụng cụ chính xác đầu tiên có khả năng phát hiện và đo những lượng rất nhỏ của điện, cuối cùng trở thành cái gọi là điện kế.

Năm 1820, các nhà vật lí Pháp Jean-Baptiste Biot và Félix Savart thiết lập cái ngày nay gọi là định luật Biot-Savart, có thể dùng để tính từ trường ở một khoảng cách cho trước, tính từ một dòng điện là nguồn gốc sinh ra trường.

Năm 1821, Michael Faraday, một người thợ đóng sách cũ học việc khoa học dưới trướng Humphry Davy, vẽ sơ đồ từ trường xung quanh một vật dẫn và lặp lại các thí nghiệm của Ørsted trong phòng thí nghiệm của ông ở Viện Hoàng gia. Ông phát hiện thấy dòng điện có thể tạo ra chuyển động quay, đưa ông đến chỗ chế tạo một trong những động cơ điện nguyên bản đầu tiên.

Mặc dù ý tưởng về máy điện báo đã ra đời từ giữa những năm 1700, nhưng trong thập niên 1830 thì bản thân thiết bị này mới ra đời – chủ yếu nhờ phát minh gần đấy về nam châm điện. Một sự kiện quan trọng nữa góp phần mang lại công nghệ mới này là khám phá của nhà vật lí người Anh Charles Wheatstone rằng dòng điện chạy qua các dây dẫn dài với vận tốc lớn – khoảng 288.000 dặm mỗi giây. Mặc dù Wheatstone tính giá trị hơi lớn một chút – dòng điện, rốt cuộc, chẳng thể truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng – nhưng kết quả của ông là chính xác nhất tính từ trước đến bấy giờ. Máy điện báo tỏ ra là một dụng cụ định hình lịch sử, và nó đã làm sáng tỏ thậm chí với những người không phải nhà khoa học về tiềm năng to lớn của dòng điện khai thác được.

Trong thập niên này, chàng sinh viên nghệ thuật người Mĩ Samuel Morse trở nên hứng thú với ý tưởng máy điện báo. Ông biết rõ nhu cầu cho một dụng cụ như vậy: Trong lúc đi ra nước ngoài, ông chỉ hay tin vợ ông mất sau vài tuần vì thực tế chẳng có cách nào đưa tin đến ông nhanh hơn được. Morse đã phát triển một nguyên mẫu của dụng cụ, cũng như một bộ mã đặc biệt biến đổi các kí tự thành các vạch và các chấm.

Giữ một vai trò quan trọng trong sự phát triển của cáp điện báo là một nhà khoa học tài ba tên là William Thomson. Ông đã tự ghi danh mình vào lịch sử bởi việc phát triển một thang đo nhiệt độ tuyệt đối, và bắt đầu vào giữa thập niên 1850 đưa bản thân ông vào nghiên cứu cáp điện báo, trở thành giám đốc của Công ti Điện báo Đại Tây Dương. Ông đã lắp đặt thành công đường cáp xuyên đại dương, giành danh hiệu ngài Kelvin cho những nỗ lực của mình. Thomson còn có những đóng góp quan trọng khác cho công nghệ, trong đó có công trình nghiên cứu đặt nền tảng cho lí thuyết dao động điện, hình thành nên cơ sở của điện báo không dây.

Ba năm sau đường cáp xuyên đại dương đầu tiên, đường điện báo xuyên lục địa đầu tiên đã được hoàn thành ở nước Mĩ, nối từ Omaha, Nebraska, tới Carson City, Nevada. Công nghệ đó, phát triển song hành với đường sắt, giữ vai trò quan trọng trong cuộc Nội chiến, làm thay đổi diện mạo của báo giới, khuyến khích khai hoang miền tây và xếp xó dịch vụ đưa tin bằng ngựa thồ cổ xưa.

Thập kỉ 1870 được đánh dấu bởi phát minh ra một dụng cụ sẽ làm cách mạng hóa sự truyền thông của loài người còn hơn cả điện báo. Năm 1876, Alexander Graham Bell phát minh ra điện thoại.

Trong những năm 1880 nhiều nhà khoa học đang nghiên cứu tác phẩm của James Clerk Maxwell huyền thoại. Một trong số họ là nhà vật lí Đức Heinrich Hertz, người muốn xem ông có thể làm ảo thuật với sóng điện từ mà Maxwell đã lí thuyết hóa hai thập kỉ trước đó hay không. Để làm việc này, Hertz nghĩ ra một mạch dao động (nếu các lí thuyết của Maxwell đúng) sẽ phát ra sóng điện từ. Hertz còn chế tạo một vòng kim loại với một khe nhỏ bên trong nó – một thiết bị nhận được thiết kế để dò tìm sóng truyền đi từ máy dao động. Khi mang vòng kim loại tới gần máy dao động, các tia lửa điện từ dòng điện nhảy qua khe ở trong vòng, chứng tỏ sóng điện gửi vào không gian có thể phát hiện ra được. Các thí nghiệm của Hertz còn cho thấy, giống như sóng ánh sáng, các sóng điện từ này có thể phản xạ và khúc xạ, và chúng truyền đi ở tốc độ bằng như ánh sáng, nhưng với bước sóng dài hơn (Hertz còn quan sát thấy trong những thí nghiệm này khi ánh sáng chiếu lên một mặt kim loại, các electron bị bật ra – hiệu ứng quang điện).

Cho nên Hertz là người đầu tiên phát và thu sóng vô tuyến, mặc dù ông không đặt tên chúng như vậy, ông cũng không lường trước được tiềm năng thực tiễn không thể tin nổi của chúng. Tuy nhiên, những người khác sẽ sớm định hình các khám phá của Hertz thành điện báo vô tuyến và radio. Cuối cùng thì cũng những nguyên lí đó đã dẫn đến truyền hình và radar. Các thành tựu của Hertz được viện dẫn mỗi khi tham khảo đơn vị đo lường của tần số sóng vô tuyến, đơn vị hertz.

Những năm 1890, trong các thí nghiệm với ống tia cathode, nhà vật lí Đức Wilhelm Roentgen phát hiện ra một dạng trước đấy chưa biết thuộc bức xạ điện từ, tia X, có khả năng đi qua một số chất chắn sáng (kể cả các mô mềm của cơ thể) hấp thụ ánh sáng khả kiến. Khám phá đó đã làm cho ông nổi tiếng, làm thay đổi các lĩnh vực vật lí và y khoa và khơi nguồn cảm hứng ở những dạng thức khác có thể có của các tia điện từ.

Nhờ nghiên cứu của James Clerk Maxwell và Heinrich Hertz, và những người khác, cả hai đều hiểu bản chất của sóng điện từ và biết chúng có thể được sử dụng để truyền thông trên những khoảng cách dài. Tuy nhiên, có những trở ngại kĩ thuật phải vượt qua, gồm việc làm thế nào phát ra tần số và điện áp đủ cao. Tesla giải quyết nan đề đó vào năm 1891 khi ông đăng kí phát minh cuộn dây Tesla, nó có thể sử dụng để truyền và nhận các tín hiệu vô tuyến mạnh khi được điều chỉnh cho cộng hưởng ở cùng tần số.

Năm 1900, nhà vật lí Đức Max Planck công bố một lí thuyết đề xuất rằng các nguyên tử không giải phóng năng lượng của chúng theo một dòng liên tục, như các nhà khoa học vẫn nghĩ, mà ở từng lượng gián đoạn ông gọi là lượng tử. Nó là một ý tưởng cấp tiến, nhưng Planck đã không nhận ra phạm vi và hàm ý thật sự của nó, và trong nhiều năm cũng chẳng có người đương thời nào của ông nhận ra điều đó.

Cần đến thiên tài của Albert Einstein để lĩnh hội các hệ quả của ý tưởng của người đồng hương của ông. Tóm lấy quan niệm và Planck và làm việc với nó, Einstein, lúc ấy đang làm việc ở một phòng cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ, đã phát triển một lí thuyết ấn định ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Quan niệm khác thường này, đã làm sửng sốt các nhà vật lí đồng bạn của Einstein, cho rằng ánh sáng cấu thành từ các lượng tử (sau này gọi là photon), nhờ đó giải thích cho hiệu ứng quang điện, trong đó ánh sáng làm thoát electron ra khỏi kim loại.

Cũng trong “năm huyền diệu” 1905 này, Einstein đưa ra lí thuyết tương đối đặc biệt của ông. Với phương trình nổi tiếng E = mc^2, lí thuyết đã giải được mối quan hệ giữa thuyết điện từ và chuyển động bình thường, đưa đến một quan niệm cấp tiến rằng khối lượng và năng lượng là một và như nhau.

Mọi người bình thường không có kiến thức vật lí nhìn thấy điện và từ học bắt đầu làm thay đổi cuộc sống của họ. Ngày càng có nhiều ứng dụng được phát minh để khai thác dòng điện, bao gồm, trong những năm đầu của thế kỉ mới, máy hút bụi, lò nướng bánh, đèn flash và sắt. Các nhà phát minh tiếp tục phát triển radio, vẫn ở dạng trứng nước của nó. Ngành công nghiệp vận tải biển được kế tục bởi “điện báo không dây” cho việc truyền tín hiệu ở dạng mã Morse. Năm 1906, kĩ sư Mĩ Lee Dr Forest chế tạo ra ống ba điện cực (triode) có thể phát hiện tín hiệu không dây tốt hơn các thiết bị hiện có. Cuối năm đó, lần đầu tiên các thính giả say sưa nghe được giọng nói con người và phát thanh âm nhạc trên vùng “không dây”. Tuy nhiên, mãi cho đến thập niên 1920 thì phát thanh radio mới thật sự phát lên khỏi mặt đất.

Năm 1902 sau các báo cáo của Guglielmo Marconi về sự truyền tín hiệu vô tuyến xuyên Đại Tây Dương (1901), Oliver Heaviside của nước Anh phỏng đoán rằng một lớp dẫn điện nằm trên tầng cao khí quyển của Trái đất cho phép các sóng này truyền đi những khoảng cách trải rộng ra bất chấp sự cong của hành tinh. Ở nước Mĩ, kĩ sư điện Arthur Kennelly đã độc lập đi đến cùng kết luận đó và tầng khí quyển giả thuyết được gọi là lớp Kennelly–Heaviside hay tầng điện li.

Năm 1905 nhà vật lí Đức Albert Einstein thiết lập thuyết tương đối đặc biệt của ông và chỉ ra rằng điện và từ là hai khía cạnh của một hiện tượng.

Những cái nhìn ngày càng sâu sắc hơn về nguyên tử lần lượt xuất hiện trong thời kì này. Trong những năm 1920, George Uhlenbeck và Samuel Goudsmit, những chàng sinh viên đang nghiên cứu vật lí ở Hà Lan, đề xuất rằng các electron không chỉ quay xung quanh hạt nhân, mà còn quay tròn xung quanh trục của chúng, y hệt như Trái đất. Năm 1928, nhà vật lí Anh Paul Dirac tiên đoán sự tồn tại của một phản hạt với electron có cùng khối lượng nhưng điện tích và spin ngược lại. Các tiên đoán trở thành hiện thực bốn năm sau đó với việc nhà vật lí Mĩ Carl Anderson khám phá ra positron.

Trong khi tất cả những công trình này tiếp tục đi vào trí tuệ và phòng thí nghiệm của các nhà vật lí hàng đầu thế giới, thì công chúng thường dân thấy điện và những đổi mới do nó truyền cảm hứng làm biến đổi cuộc sống của họ. Một ví dụ là họ đang truyền đạt thông tin khác đi. Năm 1915, nhờ đèn ba cực của Lee De Forest, cuộc gọi điện thoại xuyên lục địa đầu tiên diễn ra, giữa San Francisco và New York. Năm 1920, một phần ba hộ gia đinh ở khắp nước Mĩ có một máy điện thoại. Dịch vụ sẽ được cải tiến với cáp đồng trục băng rộng, với nó một bằng sáng chế đã được cấp vào năm 1929.

Các tiến bộ về radio đã mang môi trường mới đến với nhiều người hơn. Năm 1920, đài phát thanh đầu tiên trên thế giới mở cửa kinh doan ở Pittsburgh, Pennsylvania. Vài năm sau đó, người Mĩ đã nghe tin đưa về vụ xử án lớn đầu tiên, vụ thử nghiệm “Monkey” nổi tiếng. Kĩ sư điện người Mĩ Edwin Armstrong phát minh ra mạch hồi phục, máy thu đổi tần và mạch đổi tần trong thời kì này, thực hiện những cải tiến lớn với radio.

Thập kỉ 1930 chứng kiến sự xuất hiện của radio FM, do Edwin Armstrong phát minh làm một sự thay thế cho AM. Phần lớn của nước Mĩ và phần nhiều của châu Âu đã được kết nối qua radio; vào cuối thập niên 1930, cứ bốn trong năm hộ gia đình Mĩ có một máy radio.

Năm 1931, nhà vật lí Đức Ernst Ruska, trong khi còn là sinh viên ở Berlin, xây dựng thấu kính electron đầu tiên, sử dụng một nam châm điện làm hội tụ một chùm electron giống hệt như một thấu kính làm hội tụ một chùm ánh sáng. Năm 1933, ông sử dụng một vài thấu kính electron ghép nối tiếp chế tạo ra kính hiển vi điện tử đầu tiên với độ xác định tốt hơn kính hiển vi ánh sáng.

Năm 1932, James Chadwick của nước Anh khám phá ra neutron, một hạt có khối lượng bằng như proton, nhưng không có điện tích. Nhà vật lí Mĩ Carl Anderson khám phá ra positron, một hạt có khối lượng bằng như electron, nhưng có điện tích dương thay vì điện tích âm.

Năm 1940, một mẫu sơ khai của máy dao động magneton, dụng cụ đầu tiên có khả năng tạo ra công suất rất cao ở tần số vi sóng, được xây dựng, cho phép những tiến bộ lớn trong công nghệ radar.

Năm 1945, máy tính và Tích phân số Điện tử (ENIAC), máy tính điện tử đầu tiên của thế giới, được hoàn thành, sau ba năm xây dựng.

Năm 1947, một đội các nhà vật lí do Phòng thí nghiệm Bell Telephone thuê phát minh ra transistor, một linh kiện điện tử gồm một chất bán dẫn và ít nhất ba điện cực chủ yếu sử dụng cho việc khuếch đại hoặc chuyển mạch. Sau đó, transisor bắt đầu thay thế các ống chân không trong điện tử học.][5]

Các công nghệ dựa trên sóng vô tuyến đầu tiên

Thông tin liên lạc dựa trên sóng điện từ đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ. Cả truyền thanh và truyền hình đều dựa trên các sóng điện từ, cụ thể là sóng vô tuyến. Các sóng vô tuyến này cũng được sử dụng trong truyền tiếng nói không dây (điện thoại di động) và truyền dữ liệu.

Vào thập kỷ đầu tiên của thế kỉ 20, Guglielmo Marconi đã gửi, nhận và in kí tự S bằng máy điện báo Morse vượt qua Đại tây dương. Sự kiện này đã thúc đẩy các chính phủ, các cộng đồng doanh nghiệp quan tâm và đầu tư nhiều hơn vào lĩnh vực thông tin liên lạc không dây, đem đến nhiều kết quả như ngày nay.

Vào những năm 1920, sóng vô tuyến đã được sử dụng trong viễn thông, dịch vụ điện thoại vượt đại tây dương được thiết lập năm 1927 nối từ New York tới London.

Năm 1924 phòng thí nghiệm Bell đã tạo ra 1 thiết bị di động có thể truyền âm thanh dựa trên sóng vô tuyến, nhưng công nghệ này không thực sự hiệu quả và không được sử dụng rộng rãi cho tới những năm 1940.

Như chúng ta đã biết 2 máy tính có thể truyền dữ liệu cho nhau bằng việc sử dụng modem, modem thực hiện 2 chức năng: một là chuyển tín hiệu từ dạng số của máy tính sang dạng tương tự để truyền trên hạ tầng đường dây điện thoại, hai là quá trình chuyển ngược lại, từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Dựa trên ý tưởng này, hoàn toàn có thể thực hiện truyền dữ liệu dựa trên các giao tiếp không dây. Từ những ngày đầu, công nghệ dựa trên sóng vô tuyến chỉ được sử dụng trong phát thanh, truyền hình, truyền tiếng nói, thì ngày nay nó đã có một bước tiến dài trong việc truyền dữ liệu.

Một trong những vấn đề gặp phải ở giai đoạn đầu là độc quyền thiết bị. Cũng như con người, 2 thiết bị muốn giao tiếp với nhau thì phải cùng sử dụng một ngôn ngữ. Vì không có các chuẩn nên mỗi công ty sẽ tạo ra các thiết bị theo tiêu chuẩn của riêng họ, điều này dẫn tới sự không tương thích giữa các thiết bị của các công ty khác nhau. Các tổ chức IEEE, IETF và ANSI đã đưa ra các tiêu chuẩn để giải quyết vấn đề tương thích này, ví dụ chuẩn IEEE 802.11.