Ngoài đường truyền và hộp cộng hưởng, trong kỹ thuật siêu cao tần còn sử dụng các phần tử thụ động tuyến tính và khơng tuyến tính khác nhau. Những phần tử này có cấu trúc rất đa dạng và có những tính chất đặc thù để đảm nhiệm các chức năng cần thiết. Khi nghiên cứu và ứng dụng các phần tử này, nếu dựa trên sự tính tốn cấu trúc trường điện từ và tính các tham số đặc trưng bên trong của thiết bị thường gặp nhiều khó khăn do cấu trúc và điều kiện biên của chúng phức tạp. Hơn nữa với các phần tử này, người ta quan tậm chủ yếu đến công suất truyền, hệ số phản xạ và sự phồi hợp trở kháng trên đường truyền. Các đặc tính điện bên ngoài của các phần tử (tức là các tham số phản ánh tính chất điện của các phần tử tại các m ặt cuối của chúng) đủ cho phép ta giải quyết các nhu cầu trên. Khi nghiên cứu các tham số điện bên ngoài, ta sử dụng cơng cụ tốn là đại số tuyến tính và các phép tính ma trân. Các phần tử siêu cao tần được xem là các “mạng nhiều cực siêu cao”
6.1. Mạng nhiều cực siêu cao tần
6.1.1. Khái niệm
Một cách tổng quát, ta hiểu mạng nhiều cực siêu cao tần là một vủng không gian được giới hạn bởi các mặt dẫn kim loại dẫn điện tốt (còn gọi là bọc kim loại) chỉ thơng ra ngồi qua những nhánh là các đoạn đường truyền dẫn năng lượng siêu cao.
Nếu mạng có n nhánh (l1, l2, …ln) thì gọi đó là mạng 2n cực siêu cao. Các nhánh có thể có tiết diện khác nhau hoặc cấu trúc khác nhau. Tiết diện cuối cùng của các nhánh (C1 ,C2, … Cn) được gọi là các mặt cuối của mạng 2n cự c. Khi nghiên cứu các mạng 2n cực siêu cao, ta giả thiết rằng trong mỗi nhánh của nó chỉ tồ n tại một dạng trường, đồ ng thời các mặt cuối C phải chọn cách đủ xa chỗ nối vào bọc kim lo ại để tại các mặt cuối khơng tịn tại các trường bậc cao. Ta quy ước rằng sóng đi từ ngồi qua mặt cuối C vào mạng nhiều cực được gọi là sóng tới a, cịn sóng đi từ trong mạng nhiều cực ra ngồi qua C đươc gọi là sóng phản xạ b.
ln Cn 2 2 C 3l 3 Hình 6.1 6.1.2. Cơng suất phức
Có một đoạn đường truyền L nối giữa máy phát và một nhánh l của mạng nhiều cực như
hình 6.2.
Hình 6.2 82
Như vậy tại mặt cuối C sẽ có sóng tới từ máy phát truyền vào mạng nhiều cực và cũng có sóng phản xạ từ mạng nhiều cực qua C.
Trên đoạn đường truyền L có sóng đứng. Nếu ta gọi E và H là cường độ trường của sóng đứng
tại C thì theo lý thuyết trường, cơng suất của sóng qua C phải là:
P = 1∫[E × H*]dS (6.1.1) 2 S
Ở đây, S là tiết diện của đường truyền tại C. Công thức (6.1.1) cho ta công suất phức của sóng qua mặt C. Cơng suất trung bình của nó là phần thực của biểu thức (6.1.1).
Ta có thể chuyển cơng thức (6.1.1) về dạng sau:
2∫S
P = 1 [Eq × Hq* ]dS (6.1.2)
Ở đây, Eq và Hq là các thành phần ngang của điện và từ trường của sóng. Từ đây về sau ta sẽ đề cập chủ yếu đến các thành phần ngang của trường.
Với một sóng ch ạy bất kỳ theo hướng truyền sóng gọi là sóng tới, thành phần ngang của điện từ trường được biểu diễn như sau:
Et = q Et(q , q ).e−iγz
q 1o q 1 2 (6.1.3)
H t = q H t (q , q ).e−iγz 2o
q q 1 2
q1o , q2o Là các vector đơn vị hướng theo 2 trục tọa độ ngang q1, q2, Et(q1,q2) và Ht(q1,q2) là biên độ phức, γ là hằng số truyền còn z là tọa độ dọc theo phương truyền sóng.
Từ (6.1.2) và (6.1.3) ta nhận được:
2∫S
P = 1 Eqt Hqt*dS (6.1.4)
6.1.3. Sóng chuẩn hóa
Để tiện lợi cho việc nghiên cứu sự truyền sóng trong tuyến siêu cao, người ta đư a vào khái niệm “sóng chuẩn hóa”. Sóng chuẩn hóa là sóng chạy trên đườ ng truyền của một dạng sóng nhất định ở tần số cơng tác có cơng suất truyền trung bình qua tiết diện S của đường truyền bằng ½ (cơng suất cực đại bằng 1).
Nếu ta gọi ech là biên độ phức điện trường của sóng chuẩn hóa và hch là biên độ phức từ
trường của nó thì điều kiện chuẩn hóa trên có dạng:
∫ech .hch*dS = 1 (6.1.5)
S
ech, hch là các hàm của tọa độ ngang tại tiết diện S của đườ ng truyền. bây giờ một sóng chạy tới theo chiều z đương trên đường truyền tại tiết diện S bất kỳ có biên độ điện và từ trường ngang được biểu diễn qua biên độ sóng chuẩn hóa như sau:
t =echa cha Eq (6.1.6) H t = h a q ch
a là biên độ sóng tới (hoặc gọi tắt là sóng tới). Nó là một đại lượng phức khơng phụ thuộc vào các tọa độ ngang của tiết diện S trên đường truyền, nó tỉ lệ với biên độ điện trường ngang của sóng tới.
Đối với sóng chạy phản xạ (theo chiều z âm), ta cũng có biểu thức tương tự sau:
px = echa Eq (6.1.7) H px = −h a q ch
b là biên độ sóng phản xạ, nó cũng là một đại lượng phức và tỉ lệ với biên độ điện trường ngang của sóng phản xạ.
Từ (6.1.4), (6.1.5), (6.1.6) và (6.1.7) ta biểu diễn được cơng suất của sóng tới và sóng phản xạ như sau: P = 1 ∫S EtH t*dS = 1 aa * e h* dS = 1 | a |2 (6.1.8) t 2 q q 2∫S ch ch 2 P = 1 E px H pxdS = 1 bb * e h*dS = 1 | b |2 (6.1.9) px 2∫S qq ch ch 2 2 ∫ S
Ta đư a vào khái niệm điện áp chuẩn hóa và dịng chuần hóa tại một tiết diện S bất kỳ trên đường truyền sẽ giúp ích cho việc tính và phân tích các mạch điện siêu cao tần về sau. Chúng được định nghĩa như sau;
v = a + b
(6.1.10)
i = a − b
v là điện áp chuẩn hóa, i là dịng điện chuẩn hóa.
Tương tự như ở mạch điện với tham số tập trung, ta gọi tỉ số điện áp chuẩn hóa và dịng điện chuẩn hóc là trở kháng chuẩn hóa, ký hiệu là zch , ta có:
zch =v (6.1.11) i Từ (3.1.10) ta có thể viết: a = 1(v + i ) 2 (6.1.12) 1 b = 2(v − i )
Hệ số phản xạ tại tiết diện S tùy ý trên đường truyền là tỉ số giữa biên độ điện trường ngang của sóng phản xạ trên biên độ điện trường ngang của sóng tới. Ký hiệu là R. ta có biểu thức:
R = Eqpx =b (6.1.13)
Eqt a
Từ (6.1.10), (6.1.11) và (6.1.13) ta suy ra mối quan hệ giữa trở kháng chuẩn hóa và hệ số phản xạ sau: