Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần

KIỂU KHẮC LÂU sở KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN (T i hản lần th ứ ha) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DUC 11 - 2007/CXB/93 - 21 19/GD Mã số : 7B459T7 DAI LỜI NÓI ĐẨU Cuốn sách nhằm trinh bày kiến thức lý thuyết kỹ th u ậ t trình v ậ t lý truyền dao động sóng điện từ d ả i siêu cao tần (là d ả i sóng điện từ có bước sóng từ lOm đến Im m hay có tần s ố từ 3.10’’ đến 3.10" Hz) N gày th iế t bị vô tu yến điện tử làm việc d ả i sóng siêu cao tầ n đưỢc s d ụ n g r ấ t rộng rã i lĩnh vực như: khoa học hỹ th u ật, quăn đời sống hàn g ngày Chẳng hạn chúng dùng p h t FM, truyền hình, thơng tin viễn thông, rađa, đạo hàng đo lường v.v Do yêu cầu hiểu biết khái niệm bản, quy luật, tính chất trinh dao động sóng điện từ d ả i siêu cao tần môi trường vật chất khác rấ t cần thiết, đồng thời củng kiến thức sở không th ể thiếu với người công tác ngành vô tuyến điện Cuốn sách gồm chương phụ lục C h n g 1: Trinh bày trình lan truyền sổng siêu cao tần loại đường truyền dẫn p h ổ biến như: ơng dẫn sóng chữ nhật, ống dẫn sóng tròn, ống dẫn sóng đồng trục, cáp đồng trục, ống dẫn sóng điện mơi, đường d â y song hành, mạch dải, đường truyền sóng chậm Các toán bờ điện động lực tim nghiệm theo phương p h p lý thu yết trường, đ â y mối quan hệ giữ a đ i lượng đ ặ c trưng cho d n g trường đ iện từ th a m s ố m ôi trư ờng tru yền d ẫ n đưỢc tín h tốn, p h â n tích đ ể tìm điều kiện tốt cho truyền sóng siêu cao tần dạng đường truyền nói C h n g 2: Mơ tả q trình dao động điện từ d ả i siêu cao tần mạch d ao động cộng hường khác gọi hộp cộng hưởng như: hộp cộng hưởng chữ nhật, hộp cộng hưởng trụ tròn, hộp cộng hưởng hình xuyến, hộp cộng hưởng đồng trục có khe Các dạng trường tồn tạ i hộp xét cấu trúc đ i lượng chúng tim như: điều kiện cộng hưởng, hước sóng cộng hưởng, độ p h ẩ m chất Chương củng phương p h p kích thích dạng trường cần th iết đường truyền dẫn hộp cộng hường khác củng cách ghép lượng từ chúng C h n g 3: Trinh bày phương ph áp ph ân tích, tổng hỢp tính tốn tham sơ' ngồi phần tử tuyến siêu cao tần m ta thường gọi m ạng nhiều cực siêu cao tần Từ dẫn g iả i thích nguyên tắc công tác ứng dụ n g m ột s ố m ạng nhiều cực siêu cao tần p h ổ biến kỹ th u ậ t như: m ạng cực (tải không phản xạ, tả i phản xạ hồn tồn, đầu tách sóng siêu cao), m ạng cực (các chắn que dò, chuyển tiếp, hộ suy g iả m , quay p h a thuận nghịch, lọc tần s ố siêu cao), m ạng cực (chạc vng góc kiểu E, kiểu H, chạc đối xứng chữ Y kiểu E, kiểu H), m ạng cực (các ghép định hướng, hộ cầu siêu cao), m ạng nhiều cực điều khiển truyền sóng siêu cao tần dùng ferít dùng điốt hán dẫn loại P IN (các van cộng hưởng, quay pha không thu ậh nghịch, hộ p h ả n m ạch vòng tu ần hồn, chuyển mạch nhiều kênh tí.ư J Chương củng trin h bày ph ối hỢp trở khán g siêu cao, giải toán p h ố ỉ hỢp d ả i hẹp, d ả i rộng p h é p đ o d n g đư ờn g d y đo tính tốn với đ th ị vòng tròn Cứ sau chương d ẫ n tập cần thiết đ ể ôn luyện kiểm tra, Cuốn sách có dẫn s ố ph ụ lục nhằm hổ sung cho kết luận chương, Cuốn sách dùng làm tà i liệu học tập cho sinh vièn đ i học cao đẳng kỹ th u ật ngành vô tuyến điện tử tài liệu th am khảo cho cán nghiên cứu khoa học lĩnh vực kỹ th u ật siêu cao tần Cuốn sách chắn khơng tránh khỏi thiếu sói, tác g iả rấ t mong nhận ý kiến đón g góp xáy dự ng nhằm hồn thiện sách H Nộiy th n g 12 n ă m 1997 Tác giá MỞ ĐẦU Dải sóng siêu cao t ầ n p h ầ n dải sóng điện từ có bước sóng X nằm kh oảng từ 10 mét Im m , tưdng ứng với dải tầ n sô' f từ 3.10' đến 3.10“ Hz Nó p h â n r a bơ"n dải nhỏ là: - Dải sóng m é t h a y VH P (? = lOm ^ Im; f = 3.10" ^ 3.10* Hz) - Dải sóng đ ề cim ét y U H F (Ả = lOdm - Idm; f = 3.10® - 3.10*'* Hz) - Dải sóng c e n t i m é t h a y S H F (X = lOcm Icm; f = 3.10® -i- 3.10'” Hz) - Dải sóng m ilim é t h a y E H F (Ả = lOmm ^ Imm; f = 3.10*° - 3.10“ Hz) Các dải sóng siêu cao tần sử dụng ngày rộng rãi thiết bị n g n h vô t u y ế n điện tử lĩnh vực khác n h a u nhit: tru y ền hình, p h t t h a n h FM, t h ô n g tin vệ tin h, rađ a , đạo h n g vv Sở dĩ n h sóng siêu cao t ầ n có t ín h ch ất đặc biệt sau; Sóng siêu cao t ầ n t r u y ề n t h ẳ n g p h m vi n hìn th ấ v trực tiếp H ầ u hết dải sóng n y đề u có k h ả n ă n g xuyên qua bầu khí trái đất th a y đổi cơng s u ấ t phương t r u y ề n Sóng siêu cao t ầ n có t í n h đ ịn h hướng cao xạ từ vật có kích thước lón n h iều so vối bước sóne Sóng siêu cao t ầ n cho phép khoảng t ầ n số sử dụ n g r ấ l lớn tức sử dụ n g sơ' k ê n h r ấ t lớn tr o n g dải sóng siêu cao tần, đá p ứng tru y ền lượng thông tin ngày tăng Để th rõ ưu ểm này, t a nê u ví dụ sa u đây: t ấ t dải sóng (Ả = lOOm - lOm, f = 3MHz - 30MHz) có th ể p h â n bố khoả ng 4000 thoại hay k ê n h video t r u y ề n h ìn h khơng nh iễu lẫn Song với lượng cần sử dụng n h t r ê n d ù n g dải sóng cm, cần khoảng nhỏ từ ngắn kênh kênh bước sóng X = 2,992 đến 3cm Ĩ dải sóng siêu cao t ầ n n h ấ t hai dải nhỏ cm kích thước phần tử th iế t bị so sá n h đưỢc vổi chiều dài bước sóng, chí có trường hỢp chúng lớn n h iề u so vối bước sóng Do trường hỢp phải ý đến hiệu ứng giữ ch ậm sóng điện từ Trong đèn điện tử chân không thông thường, thời gian bay điện tử cực đèn so sánh hoậc lớn chu kỳ dao động siêu cao t ầ n ( n h ấ t dải cra mm) Nôn ta phải ý đến hiệu ứng q u n tín h bay điện tử Trong dụng cụ b n dẫn thơng thưòng dải sóng siêu cao t ầ n có hiệu ửng q u n tín h dịch chuyển điện tử lỗ trơng Do đặc tín h riêng dải sóng siêu cao tần, nên khái niệm phần tử tậ p t r u n g ỏ không áp dụng được, mà ta phải th ay khái niệm p h ầ n tử p h â n bơ' Đồng thòi chúng đ ặ t nhiều vấn để lớn cần giải như: hệ tru y ền dẫn nảng ỉượng, mạch dao động, hệ xạ dụ ng cụ điện tử b n dẫ n để tạo dao động siêu cao Trong ph m vi cuôn sách này, tác giả giới h n tr ìn h bày sở lý t h u y ế t ch ất v ậ t lý t r ìn h dao động tr u y ề n sóng siẽu cao tần hệ tr u y ề n dẫn n n g lượng mạch dao động cộng hưởng đồng thòi n hững ứng dụng c húng kỹ t h u ậ t siêu cao tần Hai p h ầ n lại độc giả tìm hiểu tài liệu vể a n t e n dụn g cụ điện tử, dụn g cụ bán dần siêu cao tần Chương I ĐƯỜNG TRUYỀN NẢNG LƯỢNG SIỀU CAO TẦN § 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỂ ĐƯỜNG TRUYỂN NẢNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN VÀ PHÂN LOẠI Chúng ta gọi đưòng truyền thiết bị hay hệ để giới hạn đường truyền lan dao động điện từ hay dòng lượng điện từ theo hướng cho Đưòng truyền dùng để truyền dẫn lượng siêu cao tần hay sóng siêu cao gọi đưồng truyền lượng siêu cao tần Để cho gọn ta gọi tắt đường truyền lượng siêu cao tần đưòng truyền siêu cao Đưòng truyền siêu cao gọi đưòng truyền đồng dọc theo hưổng truyền sóng tiết diện ngang khơng thay đổi mơi trưòng chứa đồng Trong kỹ thuật siêu cao tần đưòng truyền đồng sử dụng chủ yếu Ngưòi ta phân loại đưòng truyền đồng loại sau: đưòng truyền hở đường truyền kín Trong đưòng truyền hỏ tiết diện ngang khơng có vòng kim loại bao bọc vùng truyển lượng siêu cao tần Đưòng truyển hở có nhiều dạng khác như: đưồng dây đơi, mạch dải, đưòng truyển sóng mặt v-v Đối với đường truyền kín phải có mặt vật dẫn (kim loại) để bao bọc hoàn toàn vùng truyền lượng siêu cao tần Đưòng truyền kín loại ống kim loại rỗng có tiết diện khác bên nhét đầy chất điện mơi đồng khác khơng khí hay chân khơng Chúng gọi ống dẫn sóng Có nhiều loại ống dẫn sóng dùng kỹ thuật siêu cao tần như: ống dẫn sóng đồng trục, ơng dẫn sóng chữ nhật, ống dẫn sóng trụ tròn v.v dải sóng mét, ngưòi ta ứng dụng đưòng dây đơi (song hành) cáp đồng trục hay ống dẫn sóng đồng trục để truyền dẫn náng ỉượng siêu cao Đưòng dây đơi có cấu trúc đơn giản cho kích thưóc ngang gọn, dễ điểu chỉnh phối hợp Nhưng dải sóng decimet, ống dản sóng đồng trục hay cáp trục dùng phổ biến để truyền dẫn nảng lượng siêu cao Đường dây đôi không sử dụng dải sóng tổn hao xạ hiệu ứng bể mặt Trong dải sóng centim et, chữ nhật trụ tròn nộ cho trục hay cáp trục hao điện mơi lớn Nó đưòng truyền siêu cao phổ biến ống dẫn sóng tiêu hao nhỏ, kích thước phù hợp, ấng dẫn sóng dùng tổn hao hiệu ứng bề mặt lõi tổn dùng ỏ khoảng cách ngán công suất nhỏ Trong dải milimet, ơng dẫn sóng chữ n h ậ t tròn khơng dùng phổ biến kích thước nhỏ, khó chế tạo tiêu hao lớn dải sóng này, đưòng tr u y ề n siêu c a o phổ biến mạch dải, đưòng truyển sóng mạt như: ống dẫn sóng điện mơi, dây d ẫ n đơn có p h ủ c h ất điện môi T ro n g chương c h ú n g ta tìm tr ò n g điện t tồn t r u y ề n lan tr on g d n g đưòng t r u y ề n siêu cao phổ biến như; d ẫ n sóng chữ n h ậ t, ống đ ẫ n sóng t r ụ tròn, ơ"ng d ẫ n sóng cáp đồng trục, ơ"ng d ẫ n sóng điện mơi, đường dây đôi, m ạc h dải vv Ta tiế n h n h xét điều kiện t r u y ề n lan d ng trư n g TEM, TE, TM tr o ng c h ú ng nghiên cứu đại lượng đặc t r n g cho trưòríg cho đưòng t r u y ề n để t áp d ụ n g c húng có hiệu n h ấ t t r u y ề n d ẫ n n ă n g lượng siêu cao i 1^ BẢI TOAN TIM TRƯỜNG ĐIỆN TỪ ĐỜI VỚI ĐƯỜNG TRƯYỂN ĐỔNG NHẤT a) B ài to n Vởi số đưòng tr u y ể n đồng n h ấ t có cấu trúc tương đối đơn giản (như ống dẫ n sóng chữ nh ậ t, ống d ẫ n sóng t r ụ tròn, ơng dẫ n sóng hay cáp đồng trục, ống d ẫ n sóng điện mơi ph ẳ n g hay t r ụ tròn hai lớp) ta có tRể áp dụn g phương ph áp lý t h u y ế t trưòn g điện từ để 'tím trưòng điện từ tru y ền lan chúng Tức ta tìm nghiệm phương t r ìn h Macxoen vối điểu kiện bò cụ th ể dạng đưòng tr u y ề n Để cho đdn giản ta xét vối trưòng điện từ điểu hòa với tần SƠI vòng Cừ (thừa sơ' p h ụ thuộc vào thòi gian ta lấy l h m đ ặ t môi trường điện môi đồng n h ấ t đẳng hướng Khi xét q t r ìn h sóng tr u y ền đường t r u y ể u đồng n h ấ t ta khơng tín h đến vai trò nguồn Với điều nói hệ phương t r ìn h Macxoen cho trường điểu hòa đưòng tr u y ề n đồng nhâ't khơng tiêu hao có dạng: ro t H m = 10>E E m rot Em = -Ì0 )jx H m div Em = (1-2.1) div Hm = Với điểu kiện bò: E, s = V|/ (1.2.2) Em, Hm vectơ biên độ phức cưòng độ điện trường từ trường Ex t h n h p h ầ n tiếp tuyến cưòng độ điện trưòng, s m ặ t giới h n đưòng truyển, e |A h ằ n g sô" điện môi (hay độ điện th ẩm ) h ằ n g sô^ từ môi (hay độ từ t h ẩ m ) mơi trưồng Đe tìm nghiệm hệ (1.2.1) với điều kiện bờ (1.2.2) ta chuyển d n g phương trình sóng cho vectơ Em Hm đưỢc phương trình th u ần sau; dây Em + Em = V2 H „ + Hn, = (1.2.3) k = (ãyfẼịĩ (1.2.4) Đến ta t h ấ y to án tìm trưòng điện t đưòng truy ển đồng n h ấ t tốn tìm nghiệm hệ phương t r ì n h sóng t h u ầ n n h ấ t (1.2.3) vỏi điều ki ện bò ( ) b) T ìm n g h iệm phương trìn h són g Phương t r ì n h sóng (1.2.3) có th ể tìm nghiệm theo phương p h p kh ác n h a u Ta n h ậ n t h ấ y rằng: đường tru y ền siêu cao đồng n h ấ t có trục truyền sóng t h ẳ n g tiết diện ngang không đổi dọc theo trục t r u y ề n sóng Vì áp d ụ n g hệ tọa độ t r ụ tổng q u t ta có th ể tìm nghiệm phương trìn h sóng (1.2.3) theo phương ph áp chung r ấ t t h u ậ n tiện cho d n g khác n h a u đường t r u y ề n siêu cao đồng n h ấ t (hình 1.1) riỈNH 1.1 Trục Oz hệ ta lấy song song với trục tru yền sóng đưòng tru y ền , hai trục tọa độ n g a n g kliác có tọa độ qi, iiàiii t r o n g ĩ u ậ l p h ả n g liêL đ i ệ n n g a n g c ủ a đưòng truyền đồng nhấ t M ặt giới hạn vùng t r u y ể n d ẫ n ký hiệu là: đưòng bao ngang ký hiệu hỵỵ (k = 1, 2, ) (k = 1, 2, ) Áp dụng phương p h p p h â n ly biến số, ta cóth ể tìm nghiệm phương t rìn h sóng (1 3) hệ tọa độ t r ụ tổng q u t dưói dạng sau: Em (Qi, Q2 , z ) = Ế i ( q i , q.,) F(z) (1.2.ỈS) Hm (Qi, q.2 , z) = H i (q,, Qg) F(z) tìm đưỢc dạn g h m F(z) = e*''^ (xem p h ụ lục III) đáy Ỵ = a + ip (1.2.6) h ằng số t r u y ề n sóng dọc theo trục z đường truyền, a hệ số tiêu hao, p hệ số p h a sóng Như q t r ì n h sóng tru yền dọc trục z đưòng t r u y ề n p h ụ thuộc vào tọa độ z biểu diễn qua h àm mũ Dấu t r số mũ ứng vói sóng t r u y ề n theo hướng trục z dướng, d ấ u = c e '" X Hy = Ccosqx + Dsinqx -2a < = (C.cos2aq - Dsin2aq)e‘’‘*'"-“’ - E., = irr E, = —^^^7 (-Csinqx + Dcosqx)* a (1.10.18) Nghiệm phương tr ìn h (1.10.17) vùng lõi hàm Besell cấp m: 51 nghiệm phương t r ì n h (1.10.18) vùng vỏ hàm H a n k e n biến tướng cấp m : K| Nếu không kể đến th a sơ' từ (1.10.16) (1.10.17) (1.10.18) ta nhận đưỢc th ành phần trưòng vùng lõi võ ống dản sóng điện môi sau; \ / m a r 0a u mpBJ m —r a < r