Lý thuyết trường điện từ và siêu cao tần

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG  IT NGÔ ĐỨC THIỆN BÀI GIẢNG PT LÝ THUYẾT TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ SIÊU CAO TẦN Hà Nội 2013 LỜI MỞ ĐẦU Học phần Lý thuyết trường điện từ Siêu cao tần thuộc phần kiến thức sở cho chuyên ngành điện – điện tử viễn thông Học phần có mục đích nêu khái niệm chung liên quan đến trường điện từ, xây dựng phương pháp khảo sát tương tác trường – chất Trình bày định luật, nguyên lý trường điện từ, quy luật tính chất lan truyền sóng điện từ chân khơng, khơng gian vơ hạn q trình lan truyền sóng siêu cao tần loại đường truyền dẫn phổ biến Mơ tả q trình dao động điện từ dải siêu cao tần mạch dao động cộng hưởng khác Nghiên cứu nguyên lý mạng nhiều cực siêu cao tần linh kiện điện tử bán dẫn siêu cao tần Cuốn giảng “Lý thuyết trường điện từ Siêu cao tần” bao gồm chương, chương đầu nội dung Lý thuyết trường điện từ: IT Chương 1: Các định luật nguyên lý trường điện từ Chương đưa thông số đặc trưng cho trường điện từ môi trường chất, định luật, hệ phương trình Maxwell, đặc điểm phương trình trường điện từ tĩnh trường điện từ dừng Chương 2: Bức xạ sóng điện từ Chương trình bày nghiệm hệ phương trình Maxwell, nghiệm phương trình thế, xạ sóng điện từ dipol điện PT Chương 3: Sóng điện từ phẳng Chương khảo sát q trình lan truyền sóng điện từ phẳng môi trường đồng đẳng hướng môi trường khơng đẳng hướng, phân cực sóng điện từ, tượng phản xạ khúc xạ sóng điện từ… Ba chương nội dung kỹ thuật siêu cao tần, bao gồm: Chương 4: Sóng điện từ hệ định hướng Chương trình bày hệ định hướng sóng điện từ dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng… Chương 5: Hộp cộng hưởng Trình bày khái niệm hộp cộng hưởng, loại hệ số phẩm chất, hộp cộng hưởng đơn giản phức tạp, kích thích lượng điều chỉnh tần số cộng hưởng Chương 6: Mạng nhiều cực siêu cao tần Chương tập trung vào vấn đền mạng 2n cực siêu cao tần, mạng cực, cực, cực Vấn đề phối hợp trở kháng mạch siêu cao tần Trong trình biên soạn giảng khơng thể tránh sai sót, tác giả mong nhận ý kiến góp ý bạn đọc Hà nội, tháng 10 năm 2013 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG CÁC THAM SỐ VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 1.1 Các đại lượng đặc trưng cho trường điện từ môi trường chất  1.1.1 Vec tơ cường độ điện trường E  1.1.2 Vec tơ điện cảm D  1.1.3 Vectơ cường độ từ cảm B  1.1.4 Vec tơ cường độ từ trường H 1.1.5 Các tham số đặc trưng môi trường 1.2 Các phương trình Maxwell 10 IT 1.2.1 Một số khái niệm định luật 10 1.2.2 Các dạng hệ phương trình Maxwell 13 1.2.3 Ý nghĩa hệ phương trình Maxwell 15 1.3 Điều kiện bờ vec tơ trường điện từ 16 PT 1.4 Năng lượng trường điện từ - Định lý Poynting 18 1.5 Trường tĩnh điện 20 1.5.1 Các phương trình đặc trưng 20 1.5.2 Một số toán trường tĩnh điện 22 1.6 Từ trường dịng điện khơng đổi 24 1.6.1 Điện trường dừng 25 1.6.2 Từ trường dừng 25 1.7 Trường điện từ biến thiên 26 1.7.1 Các phương trình 26 1.7.2 Hiện tượng sóng trường điện từ biến thiên 29 BÀI TẬP CHƯƠNG 31 CHƯƠNG BỨC XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ 33 2.1 Bức xạ lưỡng cực điện 33 2.1.1 Tìm nghiệm tổng quát 33 2.1.2 Trường xạ khu gần 35 2.1.3 Trường xạ khu xa 36 2.2 Trường điện từ vòng dây 39 2.3 Trường xạ hệ thống anten 41 2.3.1 Trường xạ anten nửa sóng 42 2.3.2 Trường xạ hai anten nửa sóng đặt song song cách khoảng d 43 BÀI TẬP CHƯƠNG 46 CHƯƠNG SÓNG ĐIỆN TỪ PHẲNG 47 3.1 Khái niệm sóng điện từ phẳng 47 3.2 Sự phân cực sóng điện từ 48 3.2.1 Phân cực Ellip 48 3.2.2 Phân cực tròn 49 3.2.3 Phân cực thẳng 49 3.3 Nghiệm phương trình sóng sóng phẳng 50 3.4 Sóng phẳng mơi trường đồng nhất, đẳng hướng 52 3.4.1 Sóng phẳng mơi trường điện mơi lý tưởng 52 3.4.2 Sóng điện từ phẳng vật dẫn tốt 54 IT 3.4.3 Sóng điện từ phẳng môi trường bán dẫn 56 3.5 Hiệu ứng bề mặt 57 3.5.1 Khái niệm chung 57 3.5.2 Hiệu ứng bề mặt điện phiến dẫn phẳng 57 3.6 Sự phản xạ khúc xạ sóng điện từ 60 PT 3.6.1 Sóng tới phân cực ngang 61 3.6.2 Sóng tới phân cực đứng 63 3.7 Sóng phẳng mơi trường khơng đẳng hướng 64 BÀI TẬP CHƯƠNG 66 CHƯƠNG SÓNG ĐIỆN TỪ TRONG CÁC HỆ ĐỊNH HƯỚNG 67 4.1 Phân loại dải sóng siêu cao tần đặc điểm sóng siêu cao tần 67 4.2 Khái niệm hệ định hướng sóng điện từ 68 4.3 Ống dẫn sóng chữ nhật 69 4.3.1 Trường điện ngang 71 4.3.2 Trường từ ngang 74 4.4 Ống dẫn sóng trụ trịn 76 4.4.1 Trường điện ngang 77 4.4.2 Trường từ ngang 80 4.5 Cáp đồng trục 81 4.6 Đường dây song hành 84 4.7 Mạch dải 85 4.8 Ống dẫn sóng điện mơi 85 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 86 CHƯƠNG HỘP CỘNG HƯỞNG 87 5.1 Khái niệm hộp cộng hưởng 87 5.2 Hệ số phẩm chất hộp công hưởng 88 5.2.1 Khái niệm chung 88 5.2.2 Các loại hệ số phẩm chất hộp cộng hưởng 89 5.3 Hộp cộng hưởng chữ nhật 90 5.3.1 Trường từ ngang TM 90 5.3.2 Trường điện ngang TE 92 5.3.3 Điều chỉnh tần số cộng hưởng 93 5.3.4 Kích thích ghép lượng ống dẫn sóng hộp cộng hưởng 94 BÀI TẬP CHƯƠNG 95 CHƯƠNG MẠNG NHIỀU CỰC SIÊU CAO TẦN 96 6.1 Mạng nhiều cực siêu cao tần 96 IT 6.1.1 Khái niệm 96 6.1.2 Công suất phức 97 6.1.3 Sóng chuẩn hóa 98 6.2 Ma trận sóng mạng nhiều cực siêu cao 100 PT 6.2.1 Ma trận tán xạ 100 6.2.2 Ma trận truyền 103 6.2.3 Ma trận trở kháng ma trận dẫn nạp 104 6.2.4 Mối quan hệ ma trận sóng 106 6.3 Mạng cực 106 6.3.1 Hệ số phản xạ trở kháng chuẩn hóa 106 6.3.2 Một ví dụ mạng cực 108 6.4 Mạng cực 108 6.4.1 Ma trận sóng 108 6.4.2 Mạng cực không tổn hao 110 6.4.3 Biến lý tưởng 112 6.4.4 Trở kháng mắc song song 114 6.4.5 Dẫn nạp mắc nối tiếp 115 6.4.6 Mắt xích dạng T trở kháng chuẩn hóa 115 6.4.7 Mắt xích dạng  116 6.4.8 Ứng dụng mạng cực 117 6.5 Các ghép định hướng 121 6.6 Các cầu siêu cao 124 6.6.1 Cầu T - kép 124 6.6.2 Cầu vòng 126 6.7 Các phần tử siêu cao tần có ferít 127 6.7.1 Tính chất ferít bị từ hóa 127 6.7.2 Các phần tử có ferít ống dẫn sóng chữ nhật 129 6.7.3 Các phần tử có ferít ống dẫn sóng trịn 132 6.7.4 Một số ứng dụng phần tử siêu cao có ferít 134 6.8 Phối hợp trở kháng siêu cao tần 136 6.8.1 Ý nghĩa việc phối hợp trở kháng 136 6.8.2 Các phương pháp phối hợp trở kháng 137 6.9 Giới thiệu số cấu kiện siêu cao tần 142 6.9.1 Đèn Klystron trực xạ 142 6.9.2 Đèn Klystron phản xạ 144 6.9.3 Đèn sóng chạy 145 IT 6.9.4 Diode PIN 145 6.9.5 Diode Tunnel 146 PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ KÝ HIỆU 151 PHỤ LỤC 2: CÁC CƠNG THỨC VÀ ĐỊNH LÝ GIẢI TÍCH VECTƠ 152 PT TÀI LIỆU THAM KHẢO 153 CHƯƠNG CÁC THAM SỐ VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 1.1 Các đại lượng đặc trưng cho trường điện từ môi trường chất  1.1.1 Vec tơ cường độ điện trường E Khi điện tích thử q đặt cố định điểm M hệ quy chiếu quán tính, chịu  tác dụng FE , người ta nói lân cận điểm M có điện trường Để đo lực tác  động điện M người ta dùng véc tơ trạng thái gọi cường độ điện trường, ký hiệu E   FE E (1.1) q E   F   N q  C  Nm V  Cm m M IT  FE q Hình 1.1 Lực điện trường tác động lên điện tích q PT  1.1.2 Vec tơ điện cảm D Chất điện môi hiểu môi trường tồn hạt mang điện ràng buộc,  đặt điện môi vào điện trường E , điện tích buộc tiếp nhận lượng điện trường dịch chuyển khỏi vị trí cân Tâm quỹ đạo điện tử bị kéo xa nút có điện  tích dương đoạn l hình thành lưỡng cực điện Đây tương phân cực điện điện môi  Trạng thái phân cực điện điện môi phụ thuộc vào q l , đo trạng thái mơmen điện lưỡng cực:   p  q l (1.2) Nếu số lưỡng cực trung bình cho đơn vị thể tích N , mơmen điện tổng  chúng, gọi vec tơ phân cực điện, ký hiệu P :    P  Np  Nq l (1.3)     Trong môi trường điện môi tuyến tính l tỷ lệ với E , nên P tỷ lệ với E   P  k p  0E (1.4) Trong đó: k p hệ số phân cực điện 0  109  F m  số điện môi 36  Điện trường điện môi đặc trưng vectơ D có dạng sau:       D   0E  P  1  k p   0E   r  0E   r E Trong đó: (1.5)  r   k p hệ số điện môi tương đối    r  hệ số điện môi tuyệt đối Đơn vị D   C m2  1.1.3 Vectơ cường độ từ cảm B  Một điện tích thử q chuyển động với vận tốc v hệ quy chiếu quán tính   chịu lực tác động FM (phân biệt với lực điện FE ), người ta nói lân cận q tồn từ trường IT  Vectơ cường độ từ cảm B đặc trưng cho lực tác dụng từ trường lên điện tích chuyển động hay dòng điện theo đinh luật Lorentz sau:    (1.6) FM  q v  B  PT  FM q  B  v Hình 1.2 Lực từ trường tác động lên điện tích chuyển động  1.1.4 Vec tơ cường độ từ trường H Trong nhiều chất, từ mơi hiểu mơi trường có dòng phân tử ràng buộc,  tác dụng từ trường với từ cảm B , spin dòng phân tử giống nam  châm nhỏ thường bị xoay trục nhiều theo chiều B hình thành cực từ nhỏ Đó tương phân cực từ Mômen cực từ tính sau:   m  i S Mơmen tổng hay mômen phân cực từ từ môi:   M  Nm Với N số cực từ  m  S i Hình 1.3 Mơ men phân cực từ  Vectơ cường độ từ trường H    B   0H  M (1.7) với km hệ số phân cực từ Ta có: IT  Trong đa số chất từ mơi cường độ từ trường khơng q mạnh, M tỷ kệ với  cường độ từ trường H :   M  km  0H     B  1  km  0H  r 0H  H (1.8) 0  4 10 7  H m  độ từ thẩm chân không PT Trong đó: r   km độ từ thẩm tương đối   r  độ từ thẩm tuyệt đối A Đơn vị H     m  Đối với số chất sắt, vật liệu sắt từ r  103  104 1.1.5 Các tham số đặc trưng mơi trường Đặc tính mơi trường vật chất thể qua tham số điện từ bao gồm:  Hệ số điện mơi tuyệt đối  (F/m)  Hệ số điện môi tương đối r (không thứ nguyên)  Độ từ thẩm tuyệt đối  (H/m)  Độ từ thẩm tương đối r (không thứ nguyên)  Độ dẫn điện  (S/m) Dựa tham số điện từ, người ta chia vật chất (môi trường điện từ) thành loại sau:  Mơi trường tuyến tính: tham số , ,  không phụ thuộc cường độ trường Khi đó, phương trình liên hệ tuyến tính  Môi trường đồng đẳng hướng: tham số điện từ số Trong môi trường này, vectơ phương trình liên hệ song song với  Nếu tham số điện từ theo hướng khác có giá trị khơng đổi khác gọi khơng đẳng hướng  Mơi trường có đại lượng điện từ hàm tọa độ gọi môi trường không đồng Trong tự nhiên, hầu hết chất có hệ số điện mơi tương đối  r  mơi trường tuyến tính Mơi trường có độ từ thẩm tương đối r  gọi chất thuận từ, r  gọi chất nghịch từ Chất dẫn điện chất có   10 S / m  IT Chất bán dẫn chất có 10    1010  S / m  Chất cách điện chất có   10 10  S / m  Điện mơi lý tưởng có   , cịn vật dẫn lý tưởng mơi trường có    PT 1.2 Các phương trình Maxwell 1.2.1 Một số khái niệm định luật 1.2.1.1 Định nghĩa dịng điện Xét thể tích V giới hạn mặt kín S Giả sử lượng điện tích q nằm thể tính giảm theo thời gian, thừa nhận điện tích khơng tự biến điện tích chảy khỏi thể tích (qua mặt S ) Ngược lại, tăng điện tích thể tích xét theo thời gian xảy điện tích chảy từ vào, qua mặt S Sự chuyển dịch điện tích qua S tạo dịng điện xác dòng điện xác định tốc độ biến thiên điện tích q thể tích giới hạn mặt S , lấy với dấu âm I  dq dt (1.9) Như dòng điện dương trường hợp điện tích q thể tích V giảm theo thời gian, điện tích chảy ngồi ngược lại Căn (1.9) định nghĩa dịng điện theo cách đơn giản: Dịng điện có giá trị lượng điện tích chảy qua mặt S đơn vị thời gian Để mô tả đầy đủ chuyển động có hướng hạt mang điện, người ta đưa  khái niệm mật độ dòng điện J với định nghĩa: Mật độ dòng điện dẫn đại lượng vectơ, có hướng trùng với hướng chuyển động điện tích điểm xét, độ lớn 10 Giao điểm hai họ vịng trịn mơ tả điểm có trở kháng chuẩn hóa Zch  r  jx dẫn nạp chuẩn hóa Ych  g  jb đường truyền PT IT Hình 6.23 Hình 6.24 Tại điểm A, trở kháng dẫn nạp (r  x  0; g  b  0) cịn điểm B trở kháng dẫn nạp  (r  x  ; g  b  ) Trục thực AB mô tả giá trị trở dẫn Bán kính OA quỹ tích điểm nút điện áp (đối với đồ thị trở kháng) quỹ tích điểm bụng áp (đối với đồ thị dẫn nạp), bán kính OB quỹ tích điểm bụng áp (với trở kháng) hay nút áp (với dẫn nạp) Vịng trịn lớn (bán kính đơn vị) giá trị kháng x điện nạp b (vì r  0; g  ) Tâm O đồ thị biểu diễn chế độ phối hợp trở kháng lý tưởng đường truyền (r  1, g  1; x  b  0) Từ gốc A theo đường tròn tâm O quay theo chiều kim đồng hồ cho chiều chuyển động đường truyền từ tải máy phát, ngược chiều kim đồng hồ ứng với dịch chuyển đường truyền từ máy phát tải 139 IT PT Hình 6.25 Đồ thị vịng Smith 6.8.2.4 Các ứng dụng giản đồ Smith a) Biểu diễn trở kháng chuẩn hóa tải hệ số sóng đứng Giả sử có đường truyền siêu cao có trở sóng đặc tính Zco, cuối đường mắc tải với giá trị Zt Hãy tìm điểm biểu diễn Zt đồ thị vịng hệ số sóng đứng đường truyền Vì đồ thị vịng trở kháng dùng cho đơn vị tương đối tức với trở kháng chuẩn hóa, nên tính với tải chuẩn hóa: zt  zt  rt  jxt zco Ta tìm giản đồ giao điểm hai vịng tròn r  rt ; x  x t Giao điểm điểm biểu diễn tải cần tìm Trên hình 6.26 điểm C Từ điểm C ta vẽ vịng trịn tâm O bán kính OC vịng trịn Kd cần tìm Vịng trịn cắt trục thực AB điểm có khắc độ cho giá trị Kd 140 Hình 6.26 b) Xác định trở kháng vào đường truyền cách tải khoảng l biết trở tải Giả sử ta có đường truyền khơng tổn hao với trở sóng đặc tính Zco cuối có mắc tải Zt, xác định trở kháng lối vào đường truyền cách tải khoảng l , bước sóng cơng tác đường truyền  Trước hết ta tìm điểm biểu diễn tải chuẩn hóa đồ thị vịng Đó điểm C hình 6.26 giống mục a) zt  rt  jxt zco IT zt  Vẽ vòng tròn tâm O bán kính OC vịng trịn Kd  const đường truyền từ O PT kẻ bán kính qua C cắt vịng trịn đơn vị theo chiều kim đồng hồ (tức theo chiều máy phát) đoạn tương đối l/ điểm D’ Nối bán kính OD’ cắt vịng trịn, Kd  const D Từ ta nhận giá trị ứng với giao điểm vòng tròn rv  r  const , x v  x  const Trở vào tiết diện cách Zt khoảng l là: z v  zco (rv  jx v ) c) Xác định trở tải Bây ta xác định trở kháng tải mắc cuối đường truyền xác định hệ số sóng đứng Kd khoảng cách từ tải tới điểm nút áp d Đường truyền có trở sóng đặc tính Zco cơng tác bước sóng  Ta biết quỹ tích điểm nút áp sóng đứng biểu diễn đoạn OA đồ thị vòng với trở kháng Do ta dựng vịng trịn Kd = const cắt trục AB E Điểm điểm biểu diễn nút đường truyền cách tải khoảng d Ta lấy A làm gốc dịch chuyển vịng trịn lớn (bán kính đơn vị) theo chiều tải (ngược chiều kim đồng hồ) đoạn d min/ nhận điểm C Nối OC cắt vòng tròn Kd = const F Qua F ta nhận vịng trịn có giá trị r  const , x  const Cuối nhận trở kháng tải là: z t  z co  rt  jx t 141 d) Xác định dẫn nạp biết trở kháng Ta biết dẫn nạp điểm tiết diện Z đường truyền tính dựa phép lấy nghịch đảo trở kháng dựa vào đồ thị vòng cách dễ dàng Từ biểu thức (6.54) (6.55) ta nhận mối quan hệ trở kháng hai tiết diện Z Z2 cách đoạn /4 là: z1 z co  zco z hay z1   y2 z2 PT IT Như ta nhận quan hệ: trở kháng tiết diện dẫn nạp tiết diện cách tiết diện khoảng /4 Việc tìm trở kháng chuẩn hóa tiết diện cách khoảng /4 thực đồ thị vòng tròn cách dịch chuyển theo vòng tròn Kd = const khoảng l/ = 0,25 Hay thực phép lấy đối xứng vòng tròn Kd = const qua tâm O Vậy ta nhận dẫn nạp từ trở kháng qua phép lấy đối xứng qua vòng tròn Kd = const Điểm C biểu diễn trở kháng điểm D biểu diễn dẫn nạp đồ thị vòng trịn hình 6.27 Hình 6.27 6.9 Giới thiệu số cấu kiện siêu cao tần 6.9.1 Đèn Klystron trực xạ Đèn Klystron loại linh kiện đèn điện tử sử dụng rộng rãi kỹ thuật siêu cao tần khả công suất lớn, hiệu suất cao với dải tần số tương đối rộng Đèn Klystron bao gồm hai loại: đèn Klystron trực xạ đèn Klystron phản xạ nguyên lý hoạt động chúng có điểm tương đồng Nguyên lý hoạt động đèn Klystron trực xạ: Đèn Klystron trực xạ sử dụng mạch khuếch đại siêu cao tần công suất lớn, dựa nguyên lý điều chế vận tốc điều chế cường độ dòng điện chùm tia electron Đèn có hai hốc cộng hưởng 2, đặt thẳng hàng đường chùm tia electron 142 Hình 6.28 Đèn Klystron trực xạ PT IT Khi cathode sưởi nóng có điện ban đầu – B0, electron xạ cathode có vận tốc ban đầu Chúng điện cực anode, mang điện - U0, dương so với – B0, gia tốc chúng di chuyển thành chùm tia với vận tốc v0 hốc cộng hưởng 1, đặt đường chùm tia electron (có tiết diện dạng lưới, cho phép chùm tia electron xuyên qua), nhận tín hiệu RF siêu cao tần từ bên tạo hiệu điện siêu cao tần hai chùm vách hốc cộng hưởng (cách khoảng d) Khi chùm electron xuyên qua hốc cộng hưởng 1, hiệu điện có tác dụng gia tốc thêm cho electron bán kỳ dương làm giảm vận tốc electron bán kỳ âm Kết electron gia tốc di chuyển nhanh bắt kịp electron phía trước, electron bị giảm vận tốc di chuyển chậm lại gặp electron phía sau Khi tượng xảy liên tiếp, chùm electron ban đầu bị kết nhóm electron sau khỏi hốc cộng hưởng nhóm electron di chuyển vùng không gian hộc cộng hưởng hốc cộng hưởng Khi nhóm electron xuyên qua hốc cộng hưởng 2, dịch chuyển thành nhóm hạt mang điện tương đương dòng điện bị điều chế cường độ cảm ứng hiệu điện RF tần số cao hốc Hiệu đồng dạng với tín hiệu RF vào, lấy từ hốc cộng hưởng (tín hiệu RF ra), nhờ ta tạo mạch khuếch đại siêu cao tần Các electron sau khỏi hốc cộng hưởng thu nhận điện cực collector Đèn Klystron trực xạ có số đặc tính kỹ thuật sau: - Hiệu suất công suất: lý thuyết hiệu suất cơng suất  = Pout/Pin đạt cực đại đến 58%, thực tế  thường đạt từ 15% đến 30% - Cơng suất phát lớn, đạt đến 500 kW với tín hiệu liên tục hàng chục MW cho tín hiệu xung, tần số từ 10 GHz đến 20 GHz - Hệ số khuếch đại cơng suất lớn, đạt đến 40 dB 143 Hình 6.29 Một số hình ảnh đèn Klystron 6.9.2 Đèn Klystron phản xạ PT IT Với đèn Klystron trực xạ, lượng chùm tia electron khỏi hộc cộng hưởng trao cho hốc cộng hưởng Nếu cấu trúc có hốc cộng hưởng tia electron sau khỏi hốc cộng hưởng bị đẩy ngược trở lại vào hốc cộng hưởng lần có khả xảy hồi tiếp dương tín hiệu điều chế vận tốc nhóm electron trình (nếu tổng quãng đường tương ứng với độ trễ pha bội số 2) Lúc đèn Klystron tạo dao động siêu cao tần Đây loại đèn Klystron phản xạ Đèn Klystron phản xạ dùng để làm nguồn tín hiệu siêu cao tần công suất thấp (từ 10mW đến 500mW) với dải tần số từ 1GHz đến 25GHz Hiệu suất đèn đạt từ 20% đến 30% Đèn Klystron phản xạ sử dụng phịng thí nghiệm để thực tập, đo lường siêu cao tần làm dao động nội máy thu thiết bị radar, tên lửa quân sự, dân dụng hàng khơng Hình 6.30 Đèn Klystron phản xạ 144 6.9.3 Đèn sóng chạy Đèn sóng chạy (TWT: Traveling-Wave Tube) loại linh kiện siêu cao tần, sử dụng mạch khuếch đại RF công suất cao mạch tạo sóng có cơng suất trung bình dải tần số rộng Dải tần số hoạt động từ 300MHz đến 50GHz, hệ số khuếch đại khoảng 70dB Có hai loại đèn sóng chạy: đèn sóng chạy dùng phần tử làm chậm sóng hình xoắn đèn sóng chạy dùng hốc cộng hưởng ghép Chúng ta khảo sát đèn sóng chạy dùng phần tử làm chậm hình xoắn Hình 6.31 Đèn sóng chạy hình xoắn (1) Súng điện tử; (2) Đầu vào RF; (3) Nam châm; (4) Bộ suy giảm; IT (5) Lõi xoắn; (6) Đầu RF; (7) Ống chân không; (8) Collector PT Đèn gồm cathode nung nóng xạ chùm tia electron, gia tốc cực anode hấp thụ cực thu Khối hội tụ dùng từ trường có tác dụng làm hội tụ thành chùm tia electron chúng qua vùng cấu trúc làm chậm sóng Cấu trúc thường có dạng xoắn, thực chất ống dẫn sóng, nơi ta đặt tín hiệu siêu cao tần vào Khi tín hiệu siêu cao tần lan truyền dọc theo đường ống xoắn, vơ hình chung tạo điện trường hướng dọc theo trục ống xoắn Điện trường lan truyền dọc trục với vận tốc tính gần vận tốc lan truyền sóng dọc theo chu vi vịng xoắn Khi chùm tia electron di chuyển dọc theo trục ống xoắn, xảy tương tác điện trường vì: electron vào thời điểm bán kỳ dương điện trường gia tốc electron vào thời điểm bán kỳ âm bị giảm tốc Kết xảy kết nhóm chùm tia electron Người ta tính tốn cho nhóm electron khỏi ống xoắn thời điểm vng pha với điện trường, động chúng chuyển thành lượng tín hiệu ống xoắn Q trình ứng dụng để khuếch đại tín hiệu siêu cao tần tạo dao động, tương tự đèn Klystron Tuy nhiên, khác biệt hai loại đèn đèn sóng chạy, tương tác chùm tia electron điện trường xảy liên tiếp dọc suốt chiều dài di chuyển chùm tia trong đèn Klystron tương tác xảy thời điểm tia electron ngang qua khe hốc cộng hưởng 6.9.4 Diode PIN Diode bán dẫn PIN gồm có silic cao ơm phẳng có độ dày khoảng 75m (trong giới hạn từ 10 đến 200m), hai mặt phẳng đầu có trộn tạp chất Bo (để tạo vùng dẫn loại p ) phốt (để tạo vùng bán dẫn loại n ), với kỹ thuật khuếch tán tạo lớp chuyển tiếp p  i i  n sát hai mặt phẳng hai đầu Vùng cao ôm gọi vùng i nghèo điện tích tự Tại hai mặt phẳng hai vùng p n gắn hai tiếp xúc kim loại để 145 làm anode cathode cho diode (như Hình 6.32) Diode PIN có đặc tính sau: đặt vào diode thiên áp âm chiều (điện áp âm đặt vào vùng p ) thiên áp không hiệu tiếp xúc lớp chuyển tiếp p  i i  n ngăn cản điện tích tự từ vùng p (các lỗ trống) vùng n (các điện tử) phun vào vùng i (cịn gọi vùng Base) nên diode có trở kháng lớn (R cỡ từ đơn vị đến hàng chục k ) Diode trường hợp không cho qua tín hiệu siêu cao tần, chế độ ngắt mạch Khi đặt thiên áp thuận lên diode hàng rào lớp chuyển tiếp hạ thấp làm cho điện tử lỗ trống phun từ vùng n vùng p vào vùng i làm cho diode thông Trạng thái diode biểu diễn sơ đồ Hình 6.32d Ở r điện trở nhỏ (cỡ vài  ), Ls điện cảm ký sinh đầu diode (cỡ 0,2-2nH) Trong trạng thái thơng diode PIN cho qua tín hiệu siêu cao có dịng lớn Ta dùng hai trạng thái thông tắt diode PIN tham số mắc vào đường truyền siêu cao tạo thiết bị điều khiển truyền sóng mong muốn chuyển mạch quay pha i R a) LS Ci r_ PT n IT C_ p b) c) r+ d) Hình 6.32 Diode PIN 6.9.5 Diode Tunnel Hiệu ứng Tunnel xảy hạt mang điện tiếp xúc p  n mật độ cao, không giống hiệu ứng điện trường thông thường lớp bán dẫn (các hạt mang điện dịch chuyển tác dụng điện trường bên thời gian dịch chuyển qua vùng tiếp xúc bề rộng vùng tiếp xúc chia cho vận tốc hạt), mà dịch chuyển lượng tử hạt nhân mức lượng Diode Tunnel sử dụng nhiều mạch khuếc đại, mạch dao động siêu cao tần, mạch flip-flop dùng nhớ Lý kích thước nhỏ, giá thành hạ, tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, nhiễu thấp tỉ số dòng điện đỉnh – thung lũng cao 6.9.5.1 Nguyên lý hoạt động Diode tunnel diode tiếp xúc p-n có điện trở âm Mật độ tạp chất hai vùng bán dẫn p n cao (khoảng từ 1025 đến 1026 nguyên tử/m3) bề dày miền rào tiếp xúc  nhỏ (khoảng từ 100 A đến 10-6 cm) Theo quy luật thông thường, hạt mang điện vượt qua rào tiếp xúc tích lũy đủ mức lượng lớn hàng rào Tuy nhiên, bề dày miền rào tiếp xúc nhỏ, xảy trường hợp 146 hạt mang điện chui xuyên qua miền rào (hiệu ứng đường hầm tunnel) động hạt chưa đủ lớn Hình 6.33 IT Chúng ta quan sát Hình 6.33, diode tunnel trạng thái hở mạch (trạng thái tĩnh) Do mật độ tạp chất hai vùng p n cao nên chúng tạo thành vùng tiếp xúc chung mức Fermi EF hai bên lấn sâu vào vùng hóa trị p vùng dẫn n phải nhau), vùnng hóa trị bán dẫn p lại có mức lượng cao vùng dẫn bán dẫn n Kết hạt điện tử vùng hoá trị p chui hầm sang lấp đầy vùng dẫn n có mức lượng thấp PT Ở trạng thái hở mạch (khơng có nguồn bên ngồi đặt vào), xuất vùng khơng chứa electron vùng hóa trị p vùng chứa đầy electron vùng dẫn n , trạng thái cân trì khơng có dịng dịch chuyển hạt mang điện, khơng có dịng điện (a) (b) (c) (d) Hình 6.34 147 Khi diode tunnel phân cực thuận nguồn điện bên ngồi V, có dịch chuyển mức lượng vùng p n , tạo dịng điện qua diode I có đặc tuyến I(V) Hình 6.35 Đặc tuyến có vùng (1), (2), (3), (4), ta xét vùng, tương ứng với hình Hình 6.34 a, b, c, d Hình 6.35 Đặc tuyến V-A diode tunnel IT Khi nguồn V bắt đầu tăng dương, mức Fermi EFn cao so vói EFp, xảy hiệu ứng chui hầm electron từ vùng dẫn n chứa đầy electron sang vùng hóa trị p khơng chứa electron (Hình 6.34a) Nguồn V cáng tăng, hiệu ứng chui hầm tăng, dịng điện I qua diode tăng, tương ứng với đoạn đặc tuyến (1) Hình 6.35 Khi nguồn V đạt đến giá trị Vp, toàn vùng dẫn n chứa đầy electron nằm ngang mức lượng với vùng hóa trị p khơng chứa electron (Hình 6.34b), đó, hiệu ứng chui hầm PT xảy với mật độ hạt lớn, dòng I đạt mức cực đại đỉnh Ip, tương ứng với điểm đỉnh (2) đặc tuyến Hình 6.35 Khi nguồn V tăng lớn Vp, khoảng cân mức lượng vùng dẫn n chứa đầy electron với vùng hóa trị p khơng chứa electron bị giảm đi, (Hình 6.34c), đó, dòng điện tượng chui hầm giảm, tương ứng đoạn đặc tuyến (3) Hình 6.35 Đây đoạn có điện trở âm đặc tuyến I(V) Khi nguồn V lớn giá trị Vv, khơng cịn hiệu ứng chui hầm (Hình 6.34d), dịng điện I qua diode lúc hồn tồn giống dịng điện khuếch tán hạt mang điện vượt qua rào tiếp xúc diode thơng thường Do đó, đặc tuyến I(V) vùng (4) Hình 6.35 có dạng hàm mũ Tỉ số mức dòng điện đỉnh Ip với mức dòng điện thung lũng Iv thường đạt từ mười đến vài chục lần 6.9.5.2 Đặc tính điện trở âm Ta phân cực diode tunnel loại đường tải khác nhau, tương ứng với chế độ hoạt động (Hình 6.36) Với đường tải lưỡng ổn cắt đặc tuyến I(V) ba điểm a, b, c, ta nhận thấy có điểm a c tương ứng với trạng thái ổn định mạch điện, nghĩa mạch điện tồn trạng thái tồn mãi trạng thái khơng có tác nhân kích thích từ bên Điểm b tương ứng với trạng thái không ổn định, nghĩa mạch điện tự động chuyển 148 sang trạng thái khác tồn trạng thái khơng ổn định Vì lúc diode tunnel có trạng thái ổn định nên gọi lưỡng ổn đựơc dùng mạch flip-flop, giao hốn, v.v… Hình 6.36 IT Với đường tải đơn ổn cắt đặc tuyến I(V) điểm a (trạng thái ổn định), dù ban đầu diode tunnel điểm hoạt động khác sau nhanh chóng chuyển sang trạng thái điểm a giữ nguyên mãi trạng thái khơng có tác nhân kích thích từ bên ngồi Ta nói trạng thái đơn ổn, đựơc dùng mạch tạo xung theo nhịp điều khiển PT Với đường tải bất ổn cắt đặc tuyến I(V) điểm b (vùng điện trở âm đặc tuyến), mạch điện tồn lâu trạng thái mà liên tục thay đổi điểm hoạt động chung quanh b, tạo dao động điện tần số cao Ta nói trạng thái bất ổn, dùng mạch khuếch đại dao động siêu cao tần Điện dẫn âm g điện trở âm Rn diode tunnel đươc định nghĩa đặc tuyến I(V) sau: g  Rs I  Rn V Ls (6.115) Diode Tunnel C Z in Rn Hình 6.37 149 Mạch điện tương đương diode tunnel vẽ Hình 6.37 Điện trở RS điện cảm LS tượng trưng cho thông số dây nối chân linh kiện từ bên Tụ C điện dung vùng tiếp xúc diode thường đo điểm thung lũng Vv đặc tuyến Các giá trị tiêu biểu: Rn  30 C  20 pF Rs  1 Ls  5nH Từ Hình 6.37, ta suy tổng trở tương đương Zin diode là:  j  (Rn )     C  Z in  Rs  j Ls  j Rn  C  Rn Rn2C   Rs   j  L   s   (RnC )  (RnC )   (6.116) Tần số cắt, trở kháng Zn diode tunnel kháng suy từ (6.116): 2 RnC Rn 1 Rs IT fc  (6.117) Tần số cắt, trở kháng Zin trở (âm dương) là: 2 RnC Rn2C 1 Ls (6.118) PT fr  150 PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ KÝ HIỆU Hệ số tiêu hao  Hệ số pha  Hệ số truyền sóng  , 0 , t , th Các loại bước sóng môi trường truyền dẫn  Độ dẫn điện (điện dẫn suất) môi trường  ,  , r Các loại số điện môi môi trường  , 0 , r Các loại độ từ thẩm môi trường ,  Đơn vị điện trở (ôm), tần số vòng  Hiệu suất mạch 2 ,  Toán tử Laplace PT IT  151 PHỤ LỤC 2: CÁC CƠNG THỨC VÀ ĐỊNH LÝ GIẢI TÍCH VECTƠ 2) 3) 4) 5) 6) 7) grad 1   1grad   2grad1    div  A   divA  Agrad     rot  A   rotA  grad  A       div A  B  B rotA  ArotB       rot  grad    div rotA     rot rotA  grad divA  A     Định lý Green-Stokes     Ad l  rotAdS   L S Định lý Oxtrogradski-Gauss    AdS  divAdv   V  PT S  IT 1) 152 TÀI LIỆU THAM KHẢO Kiều Khắc Lâu, Lý thuyết trường Điện từ, NXB Giáo dục, 1999 [2] Kiều Khắc Lâu, Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần, NXB Giáo dục, 1998 [3] Nguyễn Bình Thành, Nguyễn Trần Quân, Lê Văn Bảng, Cơ sở lý thuyết trường điện từ, NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp, 1970 [4] Phan Anh, Trường điện từ truyền sóng, NXB ĐHQG Hà Nội, 2000 [5] Ngơ Nhật Ảnh, Trương Trọng Tuấn Mỹ, Trường điện từ, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2000 [6] Vũ Đình Thành, Lý thuyết sở kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1997 [7] Nguyễn Văn Hùng, Điện động lực học, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội, 2005 [8] David M.Pozar, Microwave Engineering – nd edition, John Wiley & Sons, Inc., 1998 [9] J.Van Bladet, Electromagnetic fields, Mc.Graw Hill book company Inc New York and London 1964 PT IT [1] 153 ... động điện từ dải siêu cao tần mạch dao động cộng hưởng khác Nghiên cứu nguyên lý mạng nhiều cực siêu cao tần linh kiện điện tử bán dẫn siêu cao tần Cuốn giảng ? ?Lý thuyết trường điện từ Siêu cao tần? ??... cho thấy từ trường biến thiên sinh điện trường xoáy Từ hai phương trình (1.22) (1.24) cho thấy điện trường từ trường có tác dụng tương hỗ lẫn Điện trường biến thiên tạo dòng điện dịch từ trường. .. mặt điện trường từ trường trường điện từ biến thiên Theo phương trình Maxwell 1: vùng có điện trường biến thiên, tức mật độ   dòng điện J  D t  biến thiên có từ trường biến thiên từ trường