BÁO cáo TIỂU LUẬN kỹ THUẬT SIÊU CAO tần CHỦ đề SÓNG điện từ TRONG các hệ ĐỊNH HƯỚNG

Đường truyền hở có nhiều dạng khác nhau như : đường dây đôi , mạchdải , đường truyền sóng mặt… Đối với đường truyền kín, trong đó phải có ít nhất một mặt vật dẫn kim loại bao bọchoàn toà

BÁO CÁO TIỂU LUẬN KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN CHỦ ĐỀ: SÓNG ĐIỆN TỪ TRONG CÁC HỆ ĐỊNH HƯỚNG

NHÓM 17

Hà Nội - 2022

2. Khái niệm về hệ định hướng sóng điện từ

tùy thuộc hoàn toàn vào quan điểm của người phân tích thiết kế và sử dụng nhiều thiết bị mà khôngnhất thiết phải giới hạn từ mốc tần số nào trở lên Có thể diễn giải một cách nôm na tần số tín hiệu làsiêu cao khi kích thước của mạch điện so sánh được với bước sóng truyền tín hiệu

Với sự phát triển vượt bậc như thế thì môn kỹ thuật siêu cao tần đã trở thành một môn học chuyên ngành khoa học kỹ thuật như : Điện, Điện tử, Tin học , Viễn thông, Tự động hóa …

Trong xu hướng bùng nổ của kỹ thuật viễn thông trên thế giới , nhất là kỹ thuật mới về thông tin

vệ tinh, ra đa , quang học , các vấn đề về kỹ thuật Siêu cao tần lại trở thành một vấn đề rất quan trọng của các nhà nghiên cứ thiết kế về phát triển kỹ thuật mới

Ngày nay, chúng ta tiếp xúc với các loại sóng hằng ngày như: sóng điện thoại, sóng radio, sóng

vô tuyến… Mỗi loại sóng sẽ có đặc điểm khác nhau Tất cả các loại sóng này còn được gọi chung là sóngđiện từ.Chính vì vậy nhóm 17 chúng em đã chọn tìm hiểu và nghiên cứu về chủ đề : “ Sóng điện từ trongcác hệ định hướng ”

Nội dung

I Phân loại dải sóng siêu cao tần và đặc điểm của sóng siêu cao tần

Đầu tiên chúng ta sẽ cùng tìm hiểu dải sóng diêu cao tần là gì và được phân ra mấy loại ?Dải sóng siêu cao tần là một phần của dải sóng điện từ có bước sóng  nằm trongkhoảng từ 10m đến 1mm, tương ứng với dải tần số f từ 3.107 Hz đến 3.1011 Hz Và nó được

phân ra bốn dải nhỏ

+ Dải sóng m hay VHF (  = 10m ÷1m; f = 30MHz ÷ 300Mhz )+ Dải sóng dm hay UHF (  = 10dm ÷1dm; f = 30dMHz ÷ 3Ghz )+ Dải sóng cm hay SHF (  = 10cm ÷1cm; f = 3GHz ÷ 30Ghz )+ Dải sóng mm hay EHF (  = 10mm ÷1mm; f = 30GHz ÷ 300Ghz )Các dải sóng siêu cao tần được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các thiết bị vô tuyếnđiện tử ở các lĩnh vực khác nhau như : truyền hình , phát thanh FM , thông tin vệ tinh , thông tin

di động , radar, đạo hàm , …

Sở dĩ như vậy vì sóng siêu cao tần có các tính chất đặc biệt như sau :

1 Sóng siêu cao tần truyên thẳng trong phạm vi nhìn thấy trực tiếp Hầu hết cácdải sóng này đều có khả năng xuyên qua bầu khí quyển của trái đất và thay đổi ít vềcông suất và phương truyền sóng

2 Sóng siêu cao tần có tính định hướng cao khi bức xạ từ những vật có kích thướclớn hơn nhiều so với bước sóng

3 Sóng siêu cao tần cho phép khoảng tần số sử dụng lớn , tức là chúng ta có thể

sử dụng số kênh rất lớn trong dải sóng siêu cao tần, đáp ứng được như cầu truyền thôngtin ngày càng tăng

Ví dụ : Trong tất cả các dải sóng ngắn (  = 100m ÷1m; f = 3MHz ÷ 30Mhz ) chỉ có thểphân bố được khoảng 4000 kênh thoại hay 4 kênh video của truyền hình không

nhiễu đến nhay Song với lượng kênh cần sử dụng như trên khi dùng dải sóng cm,chỉ cần một khoảng khá nhỏ từ bước sóng  = 2,992 đến 3cm.

4 Ở dài sóng siêu cao tần nhất là hai dải nhở là cm và mm thì kích thước của cácphần tử và thiết bị só snahs được với chiều dài bước sóng , thậm chí có trường hợpchúng còn lớn hơn nhiều so với bước sóng Do đó trong các trường hiwph như vậy phảichú ý đến hiệu ứng giữ chậm của sóng điện từ Trong các đèn điện tử chân không thôngthường thời gian bay của điện tử giữa các cực của đèn so sánh hoặc lớn hơn chu kỳ daođộng siêu cao tần ( nhất là ở dải cm và mm ) Nên ta phải chú ý đến hiệu ứng quán tínhbay của điện tử Trong các dụng cụ bán dẫn thông thường ở dải sóng siêu cao tần cóhiệu ứng quán tính dịch chuyển của điện tử và lỗ trống

Do đó các đặc điểm riêng của dải sóng siêu cao tần , nên các khái niệm về các phần

tử tập trung ở đây không còn áp dụng được, mà ta phải thay bằng khái niệm về cácphần tử phan bố Đồng thời chunsgt cũng đặt ra vấn đề lớn cần giải quyết như : các

hệ thống truyền dẫn năng lượng, các mạch dao động, các hệ bức xạ và các dụng cụđiện tử và bán dẫn để tạo ra các dao động siêu cao tần

II Khái niệm về hệ định hướng sóng điện từ

Chúng ta gọi đường truyền là các thiết bị hay hệ để giới hạn đường truyền lan các daođộng từ hay các dòng năng lượng điện từ theo hướng đã cho Đường truyền dùng để truyền dẫnnăng lượng siêu cao tần hay sóng siêu cao là đường truyền năng lượng siêu cao tần ( đườngtruyền siêu cao )

Đường truyền siêu cao được gọi là đường truyền dồng nhất nếu như dọc theo hướngtruyền sóng tiết diện ngang không thay đổi và môi trường chứa trong nó là đồng nhất Trong kỹthuật siêu cao tần, đường truyền đồng nhất được sủ dụng là chủ yếu Người ta có thể phân loạiđường truyền đồng nhất ra các loại sau là : đường truyền hở và đường truyền kín

Trong đường truyền hở, tại tiết diện ngang không có vòng kim loại bao bọc vùng truyềnnăng lượng siêu cao tần Đường truyền hở có nhiều dạng khác nhau như : đường dây đôi , mạchdải , đường truyền sóng mặt…

Đối với đường truyền kín, trong đó phải có ít nhất một mặt vật dẫn kim loại bao bọchoàn toàn vùng truyền năng lượng siêu cao tần Đường truyền kín là các ống kim loại rỗng cótiết diện khác nhau , bên trong có thể nhét đầy các chất điện môi đồng chất khác nhau hoặckhông khí hay chân không Chúng được gọi là ống dẫn sóng

Và cũng có nhiều loại ống dẫn sóng được dùng trong kỹ thuật siêu cao tần như : ống dẫnsóng đồng trục, ống dẫn sóng chữ nhật , ống dẫn sóng trụ tròn,…

Ở dải sóng mét , người ta ứng dụng đường dây đôi ( song hành ) và cap đồng trục hayống dẫn sóng đồng trục để truyền dẫn năng lượng siêu cao Đường dây đôi có cấu trúc đơn giản

và cho kích thước nganng khá gọn, dễ điều chỉnh phối hợp Nhưng ở dải sóng decimet ống dẫnsóng đồng trục hay cap đồng trục được dùng phổ biến để truyền năng lượng siêu cao Đườngdây đôi không được sử dụng rộng rãi trong dải sóng này vì tổn hao do bức xạ và hiệu ứng bề

Còn trong dải sóng centimet, đường truyền siêu cao phổ biến là các ống dẫn sóng hìnhchữ nhật và trụ tròn vì nó tiêu hao nhỏ , kích thước phù hợp, ống dẫn sóng đồng trục hay capđồng trụ ít được dùng vì tổn hao do hiệu ứng bề mặt ở lõi trong và tổn hao trong điện môi rấtlớn Nó chỉ dùng ở khoảng cahs nagwns và công suất nhỏ.

Cuối cùng là trong dải milimet, các ống dẫn sóng chữ nhật và tròn được dùng phổ biến

do kích thước nhỏ, khó chế tạo và tiêu hao lớn Ở dải sóng này, đường truyền siêu cao phổ biến

là mạch dải, đường truyền sóng mặt như : ống dẫn sóng điện môi, dây dẫn đơn có phỉ chất điệnmôi

Tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu và lan truyền trong các dạng đường truyền siêu cao phổbiến như ống dẫn sóng chữ nhật, ống dẫn sóng trụ tròn, ống dẫn sóng hoặc cap đồng trục, ốngdẫn sóng điện môi, đường dây dôi, mạch dải…Chúng ta cũng tiền hành xét điều kiện truyền lancác dạng trưởng TEM,TE,TM trong chúng và nghiên cứu các đại lượng đặc trưng cho trường vàđường truyền để từ đó áp dụng chúng có hiệu quả nhất khi truyền dẫn năng lượng siêu cao.4.3 Ống dẩn sóng chữ nhật

Ống dẫn sóng hình chữ nhật có hình dạng trụ với tiết diện hình chữ nhật dùng để truyền sóng Thông thường loại ống dẫn sóng này được sử dụng cho tần số vô tuyến với các tần số trong dải tần SHF (3-30 GHz) và cao hơn Điện trường trong ống dân sóng hình chữ nhật thường bao gồm một số chế độ truyền phụ thuộc vào cường đọ điện trường của ống dẫn sóng Các chế độ này thường là điện trường ngang và từ trường ngang Tuy nhiên trong phần này ta sẽ xem xét chế độ điện trường ngang

Hình 4.3.1 phía dưới mô tả dạng hình học của ống dẫn sóng, tại đây các mặt x=0, x=a, y=0, y=b, do

đó chiều rộng và dài lần lượt là a và b Mặt bên trong của ống dẫn sóng gồm các vật liệu có suy hao thấp

và được biểu diễn µ với các giá trị thực €, các mặt của ống dẫn sóng được đảm bảo độ dẫn điện tốt

Hình 4.3.1: Tham khảo kích thước của ống dẫn sóng hình hộp chữ nhậtĐiện trường trong ống dẫn sóng được hiệu chỉnh bằng phương trình sóng

Trong đó:

Kết hợp với các điều kiện biên ta được một giải pháp Giải pháp dễ dàng được xác định trong tọa độ

Cartesian Đâif tiên ta biểu diễn Ε trong tọa độ Cartesian.

Phân tách các thành phần trên ta có ba phương trình biểu diễn thành phần đó như sau:

Biểu diễn tham số trong tọa độ Cartesian

Từ đó ta có các phương trình như phía dưới:

Thông thường ra mong đợi tổng điện trường sẽ bao gồm cả điện trường có hướng và vô hướng Khi

ấy nếu ta phân tích một dạng thì sẽ thu được dạng còn lại theo tính chất đối xứng Và tôgnr điện trường lúc này sẽ là phép cộng tuyến tính Với ý tưởng nếu ở trên ta giới hạn sự phân tích theo dạng sóng có hướng

Tất cả các thành phần điện trường và từ trường có thể dễ dàng được tính toán lại Ĕ z Ȟ z Vấn đề có

thể đơn gian hơn khi ta phân tách các thành phần của dạng hướng vào thành phần TM và TE Thành phần TM được xác định bởi thuộc tính nghĩa là vuông góc với dạng sóng Do đó, thành phần TM được xác định Khi ấy ta có các phương trình dưới

Trong đó:

Và hằng số K z pha tứa là sóng được giả định sẽ lan truyền theo

Để các định được trường TM trước tiên cần xác định trường Ta thấy rằng hàon toàn có thể

biểu diễn dưới dạng hệ số lan truyền nhân với các hệ số mô tả sự biến đổi về mặt không gian X và Y

Thay phương trình trên vào phương trình

Ta có:

Khi đó ta có:

Đây là phương trình vi phân riêng cho với các biến là x và y Phương trình này có thể được giải bằng

các phân tách các biến thành riêng biệt, ta thấy tằng có thể phân tách thành X(x) chỉ

phụ thuộc x và Y(y) chỉ phụ thuộc biến y

Thay phương trình trên vòa phương trình ở trên ta có:

Sau đó chia XY ta được:

Lưu ý rằng thành phần đầu tiên chỉ phụ thuộc x, thành phần thứ hai chỉ phụ thuộc vào y và các thành phần còn lại là hằng số Tổng của thành phần thứ nhất và thứ hai là hằng số và cụ thể là Do

đó phụ thuộc vào thành phần thứ nhất hoặc thứ hai, nhưng không phụ thuộc vào cả hai Thành phần thứ nhất và thứ hai phải bằng một vài hằng số và tổng của chúng phải bằng −K2 Như vậy ta hoàn toàn

có thể tách phương trình này ra các thành các phương trình khác như sau:

Ở đó các hằng số k x2 và k y2 phải được xác định:

Nhân hai phương trình ở trên sau khi được tách lần lượt với X và Y ta tương ứng tìm được:

Trong đó A, B, C và D tương tự như là các hằng số cần được xác định Tại thời điểm này ta quan sát

thấy dạng sóng có thể biểu diễn như sau:

Giải pháp căn bản được hoàn thành ngoại trừ các giá trị A, B, C, D, k x k y Các giá trị của các hằng số

được xác định bằng việc áp dụng các điều kiện điện từ biên liên quan Và vì thế trong trường hợp này, thành phần tiếp tuyến của các mặt dẫn điện đã được đề cập ở trên cần phải bằng 0 Tuy nhiên vì thành phần này tiếp tuyến với bốn mặt nên ta có:

Các điều kiện lúc này trở thành:

Sử dụng các phương trình trên ta được:

Phương trình thứ nhất và thứ ba ở trên có thể xác định nếu A=0 và C=0, khi đó phương trình thứ 2 và thứ 4 được đơn giản hóa như sau:

Để thuận tiện ta nói rằng các chế độ trong ống dẫn sóng hình chữ nhật thường được kí hiệu TM

Vì chế độ này được đưa ra bơi phương trình (**) khi m=1 và n=24.4 Ống dẫn sóng trụ tròn

Ống dẫn sóng hình tròn có bán kính a, có thể các bước lần lượt như đối với ống dẫn sóng hình chữ nhật để tìm các thành phần E z và H z

Trong hệ tọa độ trụ trường ngang là:

Sử dụng phương trình Maxwell ta có:

Trong đó được cho trước Chú ý rằng ở đây chúng ta cũng giả sử có tồn tại sự lan truyền

Phương trình sóng Hz là:

Sử dụng các phương pháp tách các biến khi đó ta đặt H z và có được:

Bởi vì các thành phần trong phương trình tổng lại là hằng số nhưng mỗi số đó lại phụ thuộc vào một hệ tọa độ riêng

Và vì vậy

Dẫn đến : Đây được gọi là phương trình vi phân Besel Bây giờ, chúng ta có thể phương pháp Frobenius để giải phương trình này Nhưng điều này sẽ dẫn đến các phương pháp mà ta đã biết Các chuỗi này sẽ có một đặc tính đặc biệt

Trong đó hàm J v (x) Bessel loại 1 và N v (x) là hàm Bessel loại 2

1 Đầu tiên, ta kiếm tra lại

Rõ ràng rằng với một là số nguyên Điều này chỉ đúng khi với là số nguyên

2

3 Các giá trị tương đối của A và B liên quan đến hệ tọa độ tuyệt đối mà chúng ta sử dụng để xác định ống dẫn sóng Ví dụ A=B ta có thể tìm giá trị F và để thực hiện bước này:

Trong trường hợp này ta có

Rõ ràng ở đây TE_11 là mode tổng của ống dẫn sóngHàm Bessel

Trong đó Z là bất kỳ hàm Bessel nào Hình dưới đây thể hiênh chức năng:

4.5 Cáp đồng trục

- Cáp đồng trục là một hệ thống gồm lõi và vỏ trụ bằng vật dẫn, có trục trùng nhau

Cấu tạo nguyên lý cáp đồng trục

- Cáp đồng trục là loại đường truyền và cũng có ưu điểm của ống dẫn sóng là tránh được bức xạ năng lượng điện tử ra xung quanh, Nhưng khác với ống dẫn sóng , do cáp có lõi nên ngoài sóng

TE, TM nó còn có thể cho qua sóng điện tử ngang TEM với mọi bước sóng, về nguyên tắc không

bị hạn chế kích thước tiết diện

- Ta cũng đưa ra giải thiết cáp dài vô hạn với độ dẫn của vỏ là vô cùng lớn, và độ dẫn điện của lớp điện môi coi như bằng 0 Ta chọn hệ toạ độ trụ tròn với trục Z hướng theo trục cáp (như trong

- Để đơn giản ta chỉ xét sóng điện tử ngang TEM tức là các cường độ trường đều không có thành phần dọc Do tính đối xứng của lõi và vỏ nên cường độ từ trường chỉ có thành phần phương vị

Hφ và cường độ điện trường chỉ có thành phần xuyên trục Eℽ với trị hiệu dụng chỉ phụ thuộc vào

toạ độ r , không phụ thuộc các toạ độ φ, z.

- Từ và suy ra quan hệ giữa Er, Hφ

Tức là E, H biến thiên cùng pha

- Biểu thức tức thời của chúng có dạng:

H(r)=H φ(r)cos(ωt−βz),

- Ở dải sóng mét, đường truyền năng lượng dạng phổ biến có cấu tạo đơn giản, kích thước ngang nhỏ là đường dây song hành Đường dây song hành đơn giản nhất, gồm có hai dây dẫn kim loại

trụ tròn như đường kính đặt song song với nhau, cách nhau một khoảng D giữa hai trục trong môi

trường đồng nhất và đẳng hướng Môi trường đồng nhất và đẳng hướng cụ thể là không khí hay điện môi Ngoài loại đơn giản nhất hai dây, đường dây song hành có thể gồm 4 dây hoặc 2 dây có màn chắn kim loại

- Sau đây ta chỉ xét trường hợp đuồng dây song hành đơn giản gồm hai dây dẫn hờ Trường điện

tử truyền dọc đường dây song hành này là TE<

- Khi nghiên cứu trường tĩnh điện ở vùng không gian bao quanh hai dây dẫn mảnh đặt song song cách nhau một khoảng được tích điện ( có cùng điện lượng song trái dấu) Đường sức điện trường tĩnh của hệ luôn vuông góc vớii các đường đẳng thể ( là họ vòng tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục của hai dây dẫn), nên điện trường nằm trong mặt phẳng ngang với trục hai dây dẫn Từ trường sinh ra ở vùng không gian bao quanh hai dây dẫn có dòng điện không đổi chảy (dòng trong mỗi dây có cùng giá trị song ngược chiều) Nên đường sức từ trườngcủa hệ trùng với các đường đẳng thế của chúng ( cũng là các họ vòng tròn dạng như các đường dẳng thế của điện trường tĩnh ) Do đó từ trường cũng nằm trong mặt phẳng ngang với trục của hai dây dẫn

- Điện áp và dòng điện trên đuòng dây của sóng thuận (truyền theo chiều dương trục z của hệ) có dạng:

là điện cảm và điện dung tính trên một đơn vị độ dài của đường dây song hành

- Nếu đường dây song hành được đặt trong không khí ( ) thì trở sóng đặc tính của đường dây này

có dạng đơn giản là:

Z CT 0 ≈ 120 ln 2 D

d ≈ 16 log 2D d (Ω)

4.7 Mạch dải4.7.1: Công dụng và cấu tạo:

a,CẤU TẠO CHUNG:

- Mạch dải được sử dụng rộng rãi làm đường truyền năng lượng và các thiết bị siêu cao tần hiện đại có kích thước nhỏ, trọng lượng nhỏ, nhất là với các vi mạch siêu cao tần

- Mạch dải được chế tạo chủ yếu theo công nghệ mạch in, ưu điểm kích thước nhỏ, dễ dàng tích hợp trên bề mặt các vật thể có hình dạng phù hợp

- Để giảm nhỏ tiêu hao nhiệt và tiêu hao do phản xạ cần chọn vật liệu điện môi với về mặt gia công có độ mịn cao, chiều cao của vật bất đồng nhỏ nhất không lớn hơn nửa độ dày lớp skin δ của trường trong vật dẫn

- Đối với các thiết bị siêu cao tần trên mạch dải có độ phẩm chất cao : hộp cộng hưởng, bộ lọc,

bộ ghép định hướng cần chọn vật liệu điện môi có tgδe góc tiêu hao điện nhỏ nhất

- Đối với các thiết bị có phẩm chất không cao : bộ cầu vồng, bộ cộng, bộ trộn tần và bộ điều chế khi chọn vật liệu điện môi cần chú ý đến các tham số làm ảnh hưởng điến chiều dài điện của chúng

- Quy tắc chung chọn vật liệu điện môi cho bản đế của mạch dải: Có góc tiêu hao điện nhỏ nhất,

độ ổn định điện thẩm tương đối và kích thước thẳng lớn, tần số càng cao thì độ điện thẩm càng nhỏ

- Danh sách một số chất điện môi hữu cơ và vô cơ được dùng phổ biến để chế tạo bản đế mạch dải cùng các tham số chính:

+ Bảng chất vô cơ: f = 5 1010Hz